KR101117630B1 - 연료전지용 막-전극 접합체 및 그 제조방법 - Google Patents

연료전지용 막-전극 접합체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 접합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 양 면에 접하는 촉매층 및 상기 촉매층의 바깥면에 접하는 전극기재를 포함하며, 상기 촉매층은 필러 입자; 상기 필러 입자의 표면에 형성된 고분자 골격 네트워크; 상기 고분자 골격 네트워크의 공간 내에 위치하는 금속 촉매 입자를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체는 소량의 금속 촉매 만으로도 우수한 반응성을 갖는 장점이 있다.
연료전지, 막-전극 접합체, 백금, 촉매

Description

연료전지용 막-전극 접합체 및 그 제조방법{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND METHOD FOR PREPARATING THE SAME}
도 1은 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체의 일 예를 모식적으로 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 막-전극 접합체의 촉매층을 확대하여 모식적으로 나타낸 단면도.
도3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지의 전압 및 전류밀도를 나타낸 그래프.
[산업상 이용분야]
본 발명은 연료전지용 막-전극 접합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 촉매의 사용량을 줄일 수 있는 연료전지용 막-전극 접합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
[종래기술]
연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 접합체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 통로의 역할과 각 막-전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 연료의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원이 반응이 일어나며 이 때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
상기 애노드 전극 또는 캐소드 전극은 통상적으로 촉매를 포함하는 촉매층과 상기 촉매층을 지지하는 전극기재를 포함한다. 상기 전극기재는 연료 및 기체의 확산을 돕는 기체확산층(gas diffusion layer: GDL)을 포함하며, 필요에 따라 미세기공층(micro phorous layer: MPL)을 더 포함하기도 한다.
상기 촉매층에 포함되는 촉매로는 백금(Pt)을 주로 사용하게 되는데, 백금의 가격이 비싸기 때문에 백금을 탄소에 담지하여 사용하는 것이 일반적이다. 그러 나, 상기 방법은 막-전극 접합체를 제조하는 과정에서 탄소에 담지된 촉매의 일부가 바인더 수지 내부로 묻혀 버리게 되어 백금 촉매 중의 일부를 사용할 수 없게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 소량의 금속 촉매를 포함하면서도 우수한 반응성을 갖는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 양 면에 접하는 촉매층 및 상기 촉매층의 바깥면에 접하는 전극기재를 포함하며, 상기 촉매층은 필러 입자; 상기 필러 입자의 표면에 형성된 고분자 골격 네트워크; 상기 고분자 골격 네트워크의 공간 내에 위치하는 금속 촉매 입자를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.
본 발명은 또한, a) 바인더 수지와 필러 입자를 혼합하여 전극기재의 일면에 도포하고 건조 및 소성하여 필러 입자의 표면에 고분자 골격 네트워크를 형성하는 단계; b) 상기 고분자 골격 네트워크의 공간 내에 금속 촉매 입자를 부착시켜 촉매층이 형성된 촉매전극을 제조하는 단계; 및 c) 상기 촉매전극을 캐소드와 애노드로 하고, 상기 캐소드와 애노드의 촉매층 사이에 고분자 전해질막을 개재하여 접합하 는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체의 일 예를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 단, 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체의 구조가 상기 도 1의 구조로만 한정되는 것은 아니다. 도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체는 고분자 전해질막(11)을 중심으로 양면에 접하는 촉매층(13)과 상기 촉매층의 바깥 면에 위치하는 전극기재(15)를 포함한다.
상기 막-전극 접합체의 전극기재(15)는 기체확산층을 포함하며, 필요에 따라서 촉매층(13)과 기체확산층(GDL) 사이에 미세기공층(MPL)을 더 포함할 수 있다.
상기 기체확산층은 특별히 제한되지 않으나, 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 미세기공층은 마이크로미터 단위의 기공이 형성된 도전성 물질층으로서, 바람직하게는 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 또는 탄소나노혼 중에서 선택되는 1종 이상의 도전성 탄소 재료를 포함하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 막-전극 접합체의 촉매층을 확대하여 나타낸 모식적 단면도이다. 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 막-전극 접합체의 촉매층(13)은 필러 입자(21)의 표면에 형성된 고분자 골격 네트워크(23)의 공간(25) 내에 금속 촉매 입자(27)를 포함하여 소량의 촉매만으로도 우수한 반응성을 나타낸다.
상기 고분자 골격 네트워크의 공간 내에 존재하는 금속 촉매 입자는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 백금-루테늄 합금, 백금-코발트 합금 또는 백금-오스뮴 합금 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 금속 촉매 입자의 크기는 평균 입경이 1 내지 1000 nm인 것이 바람직하며, 1 내지 100 nm인 것이 더 바람직하다. 금속 촉매 입자의 평균입경이 1 nm 미만인 경우에는 촉매입자의 제조가 어려우며, 1000 nm를 초과하는 경우에는 전지의 성능이 저하될 수 있다.
또한, 상기 금속 촉매 입자의 양은 촉매층의 단위면적당 0.0001 내지 0.4 mg/cm2인 것이 바람직하며, 0.01 내지 0.3 mg/cm2인 것이 더 바람직하다. 금속 촉매 입자의 양이 단위면적당 0.0001 mg/cm2미만이면 촉매의 반응성이 떨어지며, 0.4 mg/cm2를 초과하는 경우에는 촉매의 활용도가 떨어지게 된다.
상기 막-전극 접합체의 촉매층에 포함되는 필러 입자는 흑연, 탄소 또는 나노카본 중에서 선택되는 1종 이상의 탄소입자, 알루미나 또는 실리카 중에서 선택되는 1종 이상의 무기입자, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한, 상기 필러 입자의 표면에 형성되어 고분자 골격 네트워크는 불소계 바인더 수지, 벤즈이미다졸계 바인더 수지, 케톤계 바인더 수지, 에스테르계 바인더 수지, 아미드계 바인더 수지 또는 이미드계 바인더 수지 중에서 선택되는 1종 이상의 바인더 수지를 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에 테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 등으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 바인더 수지를 포함하는 것이 더 바람직하다. 다만, 본 발명의 고분자 골격 네트워크에 포함되는 바인더 수지가 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 막-전극 접합체를 이루는 고분자 전해질막은 애노드 전극에서 발생하는 수소이온을 캐소드 전극으로 공급하는 역할을 하며, 바람직하게는 불소계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 케톤계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자 또는 이미드계 고분자 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 등으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함한다. 다만, 본 발명의 막-전극 접합체에 포함되는 고분자 전해질막이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 연료전지용 막-전극 접합체는 수소를 포함하는 연료를 사용하는 연료전지에 모두 사용할 수 있으며, 바람직하게는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC) 또는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)에 사용할 수 있다.
본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법은 a) 바인더 수지와 필러 입자를 혼합하여 전극기재의 일면에 도포하고 건조 및 소성하여 필러 입자의 표면에 고분자 골격 네트워크를 형성하는 단계; b) 상기 고분자 골격 네트워크의 공간 내에 금속 촉매 입자를 부착시켜 촉매층이 형성된 촉매전극을 제조하는 단계; 및 c) 상기 촉매전극을 캐소드와 애노드로 하고, 상기 캐소드와 애노드의 촉매층 사이에 고분자 전해질막을 개재하여 접합하는 단계를 포함한다.
상기 고분자 골격 네트워크는 필러 입자와 바인더 수지를 용매에 용해시킨 후, 전극기재의 일면에 도포하고, 건조 및 소성하여 제조할 수 있다. 상기 과정으로 제조된 고분자 골격 네트워크에는 미세한 공간이 형성된다.
상기 막-전극 접합체의 촉매층의 형성에 사용되는 필러 입자는 흑연, 탄소, 또는 나노카본 중에서 선택되는 1종 이상의 탄소입자, 알루미나 또는 실리카 중에서 선택되는 1종 이상의 무기입자, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한, 상기 필러 입자의 표면에 형성되어 고분자 골격 네트워크의 제조에 사용되는 바인더 수지의 바람직한 예로는 불소계 바인더 수지, 벤즈이미다졸계 바인더 수지, 케톤계 바인더 수지, 에스테르계 바인더 수지, 아미드계 바인더 수지 또는 이미드계 바인더 수지 중에서 선택되는 1종 이상의 바인더 수지를 사용할 수 있으며, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미 다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 등으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 바인더 수지를 사용할 수 있다. 다만, 본 발명의 고분자 골격 네트워크에 사용되는 바인더 수지가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전극기재는 기체확산층을 포함하는 것을 사용할 수 있으며, 필요에 따라서 촉매층과 기체확산층(GDL) 사이에 미세기공층(MPL)을 더 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 기체확산층은 특별히 제한되지 않으나, 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 미세기공층은 마이크로미터 단위의 기공이 형성된 도전성 물질층으로서, 바람직하게는 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 또는 탄소나노혼 중에서 선택되는 1종 이상의 도전성 탄소 재료를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 고분자 골격 네트워크 사이에는 공간이 존재하며, 상기 공간 내에 촉매를 부착시켜 촉매층을 형성시킨다. 상기 촉매층의 형성방법은 금속 촉매 입자를 직접 뿌리거나, 증착법으로 코팅시키거나, 또는 유기용매에 금속촉매를 분산시킨 후, 상기 촉매 분산 용액을 함침하고 용매를 증발시키는 방법 등을 사용할 수 있다. 상기 촉매 분산 용액에 사용되는 유기용매의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 금속촉매를 분산시킬 수 있는 것이라면 어느 것이라도 사용 가능하다.
이 때, 상기 촉매층의 형성에 사용되는 금속 촉매로는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 백금-루테늄 합금, 백금-코발트 합금 또는 백금-오스뮴 합금 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 고분자 골격 네트워크의 공간 내에 부착되는 금속 촉매 입자의 양은 단위면적당 0.0001 내지 0.4 mg/cm2가 되도록 하는 것이 바람직하며, 0.1 내지 0.3 mg/cm2가 되도록 하는 것이 더 바람직하다. 금속 촉매 입자의 양이 단위면적당 0.0001 mg/cm2미만이면 촉매의 반응성이 떨어지며, 0.4 mg/cm2를 초과하는 경우에는 촉매의 활용도가 떨어지게 된다.
또한, 상기 부착된 금속 촉매 입자는 평균 입경이 1 내지 1000 nm인 것이 바람직하며, 1 내지 100 nm인 것이 더 바람직하다. 금속 촉매 입자의 평균입경이 1 nm 미만인 경우에는 제조하기 곤란하며, 1000 nm를 초과하는 경우에는 성능이 떨어질 수 있다.
본원발명의 연료전지용 막-전극 접합체의 제조에 사용되는 고분자 전해질막으로는 수소이온 전도성을 갖는 고분자 전해질막이라면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 바람직하게는 불소계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 케톤계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자 또는 이미드계 고분자 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에 테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 등으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. 다만, 본 발명의 막-전극 접합체에 사용되는 고분자 전해질막이 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
이소프로필 알코올 100 중량부에 대하여 평균입경 100 nm인 탄소 입자 30 중량부와 폴리테트라플루오로에틸렌 10 중량부를 혼합하여 촉매층 제조용 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 탄소지(carbon paper) 위에 도포하고, 건조 및 소성하여 탄소 입자의 표면에 고분자 골격 네트워크를 형성시켰다.
부틸알콜 100 중량부에 백금 1 중량부를 분산시켜 백금 분산 용액을 제조한 후, 상기 제조된 촉매전극에 백금 분산 용액을 함침하고, 건조하여 상기 고분자 골격 네트워크의 공간에 백금 입자를 부착시킴으로써, 촉매전극을 제조하였다. 상기 촉매전극의 촉매층에 포함되는 촉매의 함량은 단위면적당 0.05 mg/cm2이다.
상기 제조된 촉매전극 2개와 폴리(퍼플루오로술폰산) 전해질막을 접합하여 막-전극 접합체를 제조하였다. 이 때, 상기 촉매전극의 촉매층 표면이 상기 전해질막의 양 면에 접하도록 하였다.
상기 제조된 막-전극 접합체의 양 면에, 유로가 형성된 분리판(bipolar plate)을 적층하여 연료전지를 제조하였다.
비교예 1
아이소프로필 알코올 100 중량부에 대하여 탄소에 담지된 백금 촉매(Pt/C)(Johnson Matthey Co.)(백금함량 10 중량%) 40 중량부와 폴리테트라플루오로에틸렌 10 중량부를 혼합하여 촉매층 제조용 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 탄소지(carbon paper) 위에 도포하고, 건조 및 소성하여 촉매전극을 제조하였다. 상기 촉매전극의 촉매층에 포함되는 촉매의 함량은 단위면적당 0.05 mg/cm2 이다.
상기 제조된 촉매전극 2개와 폴리(퍼플루오로술폰산) 전해질막을 접합하여 막-전극 접합체를 제조하였다. 이 때, 상기 촉매전극의 촉매층 표면이 상기 전해질막의 양 면에 접하도록 하였다.
상기 제조된 막-전극 접합체의 양 면에, 유로가 형성된 분리판(bipolar plate)을 적층하여 연료전지를 제조하였다.
실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지의 전압 및 전류밀도를 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다.
상기 전압 및 전류밀도의 측정 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 에 따라 제조된 막-전극 접합체는 소량의 촉매만으로도 우수한 반응성을 나타내는 것을 알 수 있다.
본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체는 소량의 금속 촉매 만으로도 우수한 반응성을 갖는 장점이 있다.

Claims (28)

  1. 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 양 면에 접하는 촉매층 및 상기 촉매층의 바깥면에 접하는 전극기재를 포함하며,
    상기 촉매층은 필러 입자;
    필러 입자와 바인더 수지의 혼합물을 건조 및 소성함으로써, 상기 필러 입자의 표면 상에 형성된 고분자 골격 네트워크; 및
    상기 고분자 골격 네트워크의 공간 내에 위치하는 금속 촉매 입자를 포함하며,
    상기 촉매층은 단위면적당 0.0001 내지 0.4 mg/cm2의 금속 촉매 입자를 포함하는 것인 연료전지용 막/전극 접합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 촉매는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 백금-루테늄 합금, 백금-코발트 합금 및 백금-오스뮴 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 연료전지용 막-전극 접합체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 촉매 입자는 평균 입경이 1 내지 1000 nm인 연료전지용 막-전극 접합체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 금속 촉매 입자는 평균 입경이 1 내지 100 nm인 연료전지용 막-전극 접합체.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 촉매층은 단위면적당 0.01 내지 0.3 mg/cm2의 금속 촉매 입자를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 필러 입자는 흑연, 탄소 및 나노카본으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소입자, 알루미나 및 실리카로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 무기입자, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물인 연료전지용 막-전극 접합체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 고분자 골격 네트워크는 불소계 바인더 수지, 벤즈이미다졸계 바인더 수지, 케톤계 바인더 수지, 에스테르계 바인더 수지, 아미드계 바인더 수지 및 이미드계 바인더 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 고분자 골격 네트워크는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함하는 바인더 수지를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전극기재는 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전극기재는 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층과 상기 기체확산층 위에 형성된 미세기공층(micro porous layer:MPL)을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 미세기공층은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60) 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 불소계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 케톤계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자 및 이미드계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
  15. a) 필러 입자와 바인더 수지를 혼합하여 전극기재의 일면에 도포하고 건조 및 소성하여 필러 입자의 표면에 고분자 골격 네트워크를 형성하는 단계;
    b) 상기 고분자 골격 네트워크의 공간 내에 금속 촉매 입자를 부착시켜 촉매층이 형성된 촉매전극을 제조하는 단계; 및
    c) 상기 촉매전극을 캐소드와 애노드로 하고, 상기 캐소드와 애노드의 촉매층 사이에 고분자 전해질막을 개재하여 접합하는 단계를 포함하며,
    상기 촉매층은 단위면적당 0.0001 내지 0.4 mg/cm2의 금속 촉매 입자를 포함하는, 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 바인더 수지는 불소계 바인더 수지, 벤즈이미다졸계 바인더 수지, 케톤계 바인더 수지, 에스테르계 바인더 수지, 아미드계 바인더 수지 및 이미드계 바인더 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 바인더 수지는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 전극기재는 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 전극기재는 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층과 상기 기체확산층 위에 형성된 미세기공층(micro porous layer:MPL)을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 미세기공층은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60) 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  21. 제15항에 있어서, 상기 필러 입자는 흑연, 탄소 및 나노카본으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소입자, 알루미나 및 실리카로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 무기입자, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물인 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  22. 제15항에 있어서, 상기 금속 촉매는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 백금-루테늄 합금, 백금-코발트 합금 및 백금-오스뮴 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  23. 삭제
  24. 제15항에 있어서, 상기 고분자 골격 네트워크의 공간에 부착된 금속 촉매 입자의 양은 단위면적당 0.01 내지 0.3 mg/cm2인 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  25. 제15항에 있어서, 상기 금속 촉매 입자는 평균 입경이 1 내지 1000 nm인 연 료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 금속 촉매 입자는 평균 입경이 1 내지 100 nm인 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  27. 제15항에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 불소계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 케톤계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자 및 이미드계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
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