KR101909709B1 - Membrane-Electrode Assembly with Improved Durability, Manufacturing Method Thereof and Fuel Cell Containing the Same - Google Patents

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Abstract

내구성이 향상되는 연료전지용 막-전극 접합체, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지가 제시된다. 상기 막-전극 접합체는 전해질막, 이 전해질막을 사이에 두고 서로 마주보는 압착 촉매층의 연료극과 압착 촉매층의 공기극을 포함하며, 상기 양 압착 촉매층은 서로 같거나 다를 수 있는 이온 전도성 물질과 금속 촉매를 각각 함유한다. 이 때 상기 연료극 압착 촉매층의 두께 방향의 압축률 Rano와 상기 공기극 압착 촉매층의 두께 방향의 압축률 Rcat는 다음 수치 한정 조건을 만족한다. 0 < Rano ≤ 0.5, 0 < Rcat < Rano이고,

Figure 112012038777964-pat00017
이다.A membrane-electrode assembly for a fuel cell having improved durability, a method of manufacturing the same, and a fuel cell including the same are provided. The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane, a fuel electrode of a squeeze catalyst layer facing each other with the electrolyte membrane sandwiched therebetween, and an air electrode of a squeeze catalyst layer. The both squeeze catalyst layers are made of an ion conductive material and a metal catalyst, . At this time, the compression ratio R ano in the thickness direction of the fuel electrode compression catalyst layer and the compression ratio R cat in the thickness direction of the air electrode compression catalyst layer satisfy the following numerical limitation conditions. And 0 <R ano ≤ 0.5, 0 <R cat <R ano,
Figure 112012038777964-pat00017
to be.

Description

내구성이 향상된 연료전지용 막-전극 접합체, 그 제조 방법 및 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지{Membrane-Electrode Assembly with Improved Durability, Manufacturing Method Thereof and Fuel Cell Containing the Same}[0001] The present invention relates to a membrane-electrode assembly for a fuel cell having improved durability, a method for manufacturing the membrane-electrode assembly, and a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

본 발명은 연료전지에 관한 것이다. 더 구체적으로 본 발명은 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체, 이 막-전극 접합체의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell. More specifically, the present invention relates to a membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, and a method for manufacturing the membrane-electrode assembly.

연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생산하는 장치로서, 사용되는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질형(Polymer Electrolyte Membrane(PEM)), 인산형, 용융 탄산염형, 고체 산화물형(solid oxide), 알칼리 수용액형 등으로 구분될 수 있다. 이 중에서 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동 온도가 낮고 효율이 높으며, 전류 밀도 및 출력 밀도가 크고, 기동/정지 시간이 짧으며, 부하 변화에 대한 응답이 빠른 특성이 있다.A fuel cell is a device that produces electrical energy by electrochemically reacting fuel and oxygen. Depending on the type of electrolyte used, a polymer electrolyte membrane (PEM), a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type solid oxide), an alkaline aqueous solution type, and the like. Among them, the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) has lower operating temperature and higher efficiency than the other types of fuel cells, has a large current density and output density, has a short start / stop time, .

수소와 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)는 고분자 전해질막 연료전지의 핵심 부품으로서 촉매 피복막(catalyst coated membrane: CCM)과 촉매 피복 가스 확산층(catalyst coated GDL: CCG)의 두 가지 방식으로 제조될 수 있다. Membrane Electrode Assembly (MEA), which generates electricity through the oxidation / reduction reaction of hydrogen and oxygen, is a core component of a polymer electrolyte fuel cell, and includes a catalyst coated membrane (CCM) (catalyst coated GDL: CCG).

촉매 피복막(CCM) 방식은 먼저, 전사지를 이용하여 전사(데칼)필름을 제조한 후 이 전사 필름을 전해질막과 열압착시킴으로써 막-전극 접합체를 형성하고, 이와는 별도로 지지층 상에 미세공극이 형성된 가스 확산층을 제조한 다음, 상기 막-전극 단위체와 상기 가스 확산층 단위체를 배치하여 셀을 구성하는 방법이다. 이러한 촉매 피복막 방식은, 예를 들어 특허 문헌 1에서 상세하게 설명하고 있다.In the CCM method, first, a decal film is produced by using a transfer paper, and then the transfer film is thermally compressed with the electrolyte membrane to form a membrane-electrode assembly. Separately, a microvoid is formed on the support layer A gas diffusion layer is formed, and then the membrane-electrode unit and the gas diffusion layer unit are arranged to form a cell. Such a catalyst coating film method is described in detail in, for example, Patent Document 1.

<특허 문헌 1>Patent Document 1:

대한민국 특허 공개 공보 제 2010-4495호Korean Patent Publication No. 2010-4495

한편 촉매 피복 가스 확산층(CCG) 방법은 카본 페이퍼 등의 지지체상에 미세공극이 형성된 가스 확산층을 형성하고, 상기 가스 확산층 상부에 전극 촉매층을 형성하여 가스 확산층-전극 단위체를 제조한 다음, 두 개의 가스 확산층-전극 단위체 사이에 전해질막을 열압착시킴으로써 셀을 구성하는 방법이다. On the other hand, in the catalyst coated gas diffusion layer (CCG) method, a gas diffusion layer having micropores formed on a support such as carbon paper is formed, and an electrode catalyst layer is formed on the gas diffusion layer to prepare a gas diffusion layer- And the electrolyte membrane is thermally pressed between the diffusion layer and the electrode unit to constitute the cell.

수소와 공기를 주 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지에서는 촉매 피복막 방법이 촉매 피복 가스 확산층 방법에 비해 전해질막과 전극 촉매층 사이의 계면 저항이 낮고 보다 얇은 전극 촉매층의 형성에 유리하기 때문에, 막-전극 접합체의 제조에 유리하다고 보고되고 있다(Journal of Power Sources. 170(2007), 140쪽 참조). In the polymer electrolyte fuel cell using hydrogen and air as the main fuel, since the catalyst coating method is advantageous in that the interface resistance between the electrolyte membrane and the electrode catalyst layer is lower and the thinner electrode catalyst layer is formed than the catalyst coating gas diffusion layer method, (Journal of Power Sources. 170 (2007), p. 140).

본 발명의 기술적 과제 중 하나는 연료전지 고분자 전해질막의 특성 열화, 특히 개방 회로 전압 환경에서의 특성 열화를 막아 고분자 전해질 연료전지의 내구성과 신뢰성을 향상시키는 것이다.One of the technical problems of the present invention is to improve the durability and reliability of a polymer electrolyte fuel cell by preventing deterioration of characteristics of the fuel cell polymer electrolyte membrane, particularly deterioration in the open circuit voltage environment.

전술한 기술적 과제의 해결을 위하여 본 발명의 한 측면에서는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다. 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체는 전해질막, 이 전해질막을 사이에 두고 서로 마주보는 압착 촉매층의 연료극과 압착 촉매층의 공기극을 포함하고, 상기 양 압착 촉매층은 서로 같거나 다른 이온 전도성 물질과 금속 촉매를 각각 함유한다. 이 때 상기 연료극 압착 촉매층과 공기극 압착 촉매층은 다음과 같은 압축률 조건을 만족한다:In order to solve the above-mentioned technical problems, one aspect of the present invention provides a membrane-electrode assembly for a fuel cell. The membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention comprises an electrolyte membrane, a fuel electrode of a squeeze catalyst layer facing each other with the electrolyte membrane sandwiched therebetween, and an air electrode of a squeeze catalyst layer, wherein the both sintered catalyst layers are made of the same or different ion- Respectively. At this time, the fuel electrode compression catalyst layer and the air electrode compression catalyst layer satisfy the following compression rate conditions:

0 < Rano ≤ 0.5, 0 < Rcat < Rano이고,

Figure 112012038777964-pat00001
.And 0 <R ano ≤ 0.5, 0 <R cat <R ano,
Figure 112012038777964-pat00001
.

여기서 Rano는 상기 연료극 압착 촉매층의 두께 방향의 압축률이고, Rcat는 상기 공기극 압착 촉매층의 두께 방향의 압축률이다.Where R ano is the compression ratio in the thickness direction of the fuel electrode compression catalyst layer and R cat is the compression ratio in the thickness direction of the air electrode compression catalyst layer.

본 발명의 한 실시 형태에서는 상기 연료극과 공기극의 압착 촉매층의 화학적 조성이 동일하다. 본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는 상기 연료극의 함수율이 상기 공기극의 함수율보다 높다.In one embodiment of the present invention, the chemical composition of the compression catalyst layer of the fuel electrode and the air electrode is the same. In one specific embodiment of the present invention, the moisture content of the fuel electrode is higher than that of the air electrode.

본 발명은 아울러 이러한 연료전지용 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 개시한다.The present invention also discloses a fuel cell including such a membrane-electrode assembly for a fuel cell.

본 발명의 다른 측면에서는 전술한 막-전극 접합체를 제조하는 방법을 개시한다. 이 제조 방법은 (a) 제1 지지막 상에 제1 이온 전도성 물질, 제1 금속 촉매 및 선택적으로 제1 용매를 포함하는 연료극 촉매층이 형성된 연료극 전사 필름을 제조하고, 제2 지지막 상에 제2 이온 전도성 물질, 제2 금속 촉매 및 선택적으로 제2 용매를 포함하는 공기극 촉매층이 형성된 공기극 전사 필름을 제조하는 단계;In another aspect of the present invention, a method of manufacturing the membrane-electrode assembly described above is disclosed. This manufacturing method comprises the steps of: (a) preparing a fuel electrode transfer film on which an anode catalyst layer comprising a first ion conductive material, a first metal catalyst, and optionally a first solvent is formed on a first support film, Preparing a cathode electrode transfer film on which a cathode catalyst layer is formed, wherein the cathode catalyst layer comprises a first ionomer, a second ionomer, a second metal catalyst, and optionally a second solvent;

(b) 상기 연료극 전사 필름을 고분자 전해질막의 한쪽 면에 압착하되, 상기 (a) 단계에서 얻은 연료극 촉매층의 두께 방향의 압축률 Rano가 관계식(b) compressing the anode electrode transfer film on one side of the polymer electrolyte membrane, wherein the compression ratio R ano in the thickness direction of the anode catalyst layer obtained in the step (a)

Figure 112011062048567-pat00002
를 만족하도록 압착하는 연료극 전사 단계;
Figure 112011062048567-pat00002
So as to satisfy the following equation:

(c) 상기 공기극 전사 필름을 상기 고분자 전해질막의 반대면에 압착하되, 상기 (a) 단계에서 얻은 공기극 촉매층의 두께 방향의 압축률 Rcat가 관계식

Figure 112011062048567-pat00003
Figure 112011062048567-pat00004
를 만족하도록 압착하는 공기극 전사 단계를 포함한다.(c) The synthesis of the cathode pressed against the transfer film opposite the polymer electrolyte membrane side, wherein (a) the compression ratio R cat in the thickness direction of the cathode catalyst layer obtained in step relation
Figure 112011062048567-pat00003
Wow
Figure 112011062048567-pat00004
So as to satisfy the following condition: &lt; EMI ID = 1.0 &gt;

본 발명의 한 실시 형태에서 상기 제1 전사 필름 및 제2 전사 필름을 전사하는 단계는 열압착 방법 또는 롤투롤(roll-to-roll) 방법에 의해 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of transferring the first transfer film and the second transfer film may be performed by a thermocompression method or a roll-to-roll method.

다른 실시 형태에서 전술한 제조 방법은 두께가 서로 다른 서브가스켓을 각각 상기 고분자 전해질막의 서로 다른 면에 각각 설치하고 연료극과 공기극 전사 필름을 압착함으로써 촉매층의 두께 감소율을 다르게 할 수 있다. In another embodiment of the present invention, the thickness of the catalyst layer may be reduced by providing sub-gaskets of different thicknesses on different surfaces of the polymer electrolyte membrane and pressing the fuel electrode and the air electrode transfer film, respectively.

본 발명 제조 방법의 한 구체적인 실시 형태에서는 상기 연료극과 공기극이 전사된 고분자 전해질막으로부터 제1 지지막과 제2 지지막을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include removing the first supporting film and the second supporting film from the polyelectrolyte membrane to which the fuel electrode and the air electrode are transferred.

본 발명의 구현예에 따르면, 종래 기술처럼 연료극과 공기극을 단순히 고분자 전해질막에 압착한 연료전지보다 개방 회로 전압 및 전류 밀도의 감소를 효과적으로 줄일 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to effectively reduce the decrease of the open circuit voltage and the current density, as compared with the fuel cell in which the fuel electrode and the air electrode are simply pressed to the polymer electrolyte membrane.

도 1은 일반적인 고분자 전해질막 연료전지의 막-전극 접합체의 가로 방향 단면을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시 형태에 따른 막-전극 접합체의 가로 방향 단면을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 막-전극 접합체의 제조 방법의 한 실시 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1, 2, 3에 따라 제조된 연료전지에 있어서, 전류 밀도 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1, 2, 3에 따라 제조된 연료전지에 있어서, 개방 회로 전압의 경시 변화를 도시한 그래프이다.
1 is a schematic view showing a cross-section of a membrane-electrode assembly of a general polymer electrolyte membrane fuel cell in a lateral direction.
2 is a schematic view showing a transverse section of a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
Fig. 3 is a view for explaining an embodiment of the method for producing the membrane-electrode assembly of the present invention.
4 is a graph showing changes in current density in a fuel cell manufactured according to Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1, 2, and 3;
FIG. 5 is a graph showing changes with time of an open-circuit voltage in a fuel cell manufactured according to Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1, 2 and 3. FIG.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체 및 그 제조 방법 구현예를 상세하게 설명한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, a membrane-electrode assembly for a fuel cell and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명의 한 측면에서는 고분자 전해질형 연료전지의 막-전극 접합체를 개시한다. 상기 막-전극 접합체는 전해질막과 이 상기 전해질막을 사이에 두고 서로 마주보는 압착 촉매층의 연료극(산화극, anode, 전지에서의 음극) 및 압착 촉매층의 공기극(환원극, cathode, 전지에서의 양극)을 포함한다. 다시 상기 연료극 압착 촉매층과 공기극 압착 촉매층은 각각 이온 전도성 물질과 금속 촉매를 함유하는데, 이 이온 전도성 물질과 금속 촉매는 연료극과 공기극에서 서로 같거나 다를 수 있다. 본 발명의 막-전극 접합체에서 상기 연료극 압착 촉매층과 상기 공기극 압착 촉매층은 그 압축률에서 다음 조건을 만족한다. 즉 상기 연료극 압착 촉매층의 두께 방향의 압축률을 Rano, 상기 공기극 압착 촉매층의 두께 방향의 압축률을 Rcat라고 할 때, Rano와 RcatIn one aspect of the present invention, a membrane-electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell is disclosed. The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane, an anode (anode in the cell, anode in the cell) and a cathode (cathode in the battery) of the squeeze catalyst layer of the squeeze catalyst layer facing each other with the electrolyte membrane interposed therebetween, . The fuel electrode squeeze catalyst layer and the air electrode squeeze catalyst layer each contain an ion conductive material and a metal catalyst. The ion conductive material and the metal catalyst may be the same or different from each other in the anode and the cathode. In the membrane-electrode assembly of the present invention, the fuel electrode compression catalyst layer and the air electrode compression catalyst layer satisfy the following conditions at a compression ratio thereof. That is to say, when the compression rate in the thickness direction of the anode catalyst layer R ano compression, compression rate in the thickness direction of the cathode catalyst layer compression cat R, R and R ano cat is

0 < Rano ≤ 0.5, 0 < Rcat < Rano이고,

Figure 112012038777964-pat00005
이다.And 0 <R ano ≤ 0.5, 0 <R cat <R ano,
Figure 112012038777964-pat00005
to be.

본 명세서에서 압착 촉매층의 압축률은 압착 촉매층을 형성할 혼합물을 전해질막에 압착하면서 일어나는 상기 혼합물의 두께 감소값을 압착 전 혼합물 두께로 나눈 비이다.In the present specification, the compression ratio of the compression catalyst layer is a ratio obtained by dividing the thickness reduction value of the mixture, which occurs when the mixture for forming the compression catalyst layer is pressed onto the electrolyte membrane, by the mixture thickness before compression.

일반적인 고분자 전해질막 연료전지의 막-전극 접합체의 단면을 나타낸 모식도를 도 1에 제시하였다. 도 1의 막-전극 접합체(10)는 전해질막(11)과 이 전해질막(11)을 사이에 두고 서로 마주보는 전극 촉매층들(12, 12')을 포함한다.A schematic view showing a cross section of a membrane-electrode assembly of a general polymer electrolyte membrane fuel cell is shown in FIG. The membrane-electrode assembly 10 of FIG. 1 includes an electrolyte membrane 11 and electrode catalyst layers 12 and 12 'facing each other with the electrolyte membrane 11 interposed therebetween.

도 2는 본 발명의 한 실시 형태에 따른 연료전지용 막-전극 접합체(100)의 단면을 나타낸 모식도이다. 도 2의 막-전극 접합체(100)는 전해질막(101)과 이 전해질막(101)을 사이에 두고 서로 마주보는 연료극과 공기극의 압착 촉매층들(102, 102')을 포함하는데, 여기서 이 연료극과 공기극의 압착 촉매층들(102,102')은 각각 점선으로 둘러싸여 표시된 부분(103, 103')의 두께만큼 압축되어 있다. 즉 이온 전도성 물질과 금속 촉매의 혼합물을 전해질막(101)에 압착하여 최종적으로 압착 촉매층(102, 102')을 형성하게 되는데, 이 혼합물의 압착 전 두께는 각각 실선과 점선 부분을 합한 원 두께(102+103, 102'+103')에 해당한다. 이 때 압착 촉매층의 압축률 ─ 압착 전 원래 두께(102+103, 102'+103')와 최종 압착 촉매층(102, 102') 사이의 두께 차이를 원래 두께(102+103, 102'+103')로 나눈 값 ─ 은 연료극(anode) 쪽이 공기극(cathode)보다 더 크다. 다시 말하면 연료극이 공기극보다 더 많이 압축되었다.2 is a schematic view showing a cross section of a membrane-electrode assembly 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The membrane-electrode assembly 100 of FIG. 2 includes an electrolyte membrane 101 and a pair of opposed catalyst layers 102 and 102 'of the anode and the anode facing each other with the electrolyte membrane 101 interposed therebetween, And the compression catalyst layers 102 and 102 'of the air electrode are compressed by the thickness of the marked portions 103 and 103' surrounded by dotted lines, respectively. That is, a mixture of the ion conductive material and the metal catalyst is compressed on the electrolyte membrane 101 to finally form the compression catalyst layers 102 and 102 '. The pre-compression thickness of the mixture is the sum of the thicknesses of the solid and the dotted lines 102 + 103, 102 '+ 103'). At this time, the compression ratio of the compression catalyst layer-the original thickness (102 + 103, 102 '+ 103') before the compression and the difference in thickness between the final compression bonding catalyst layer 102 and 102 ' - is larger at the anode side than at the cathode side. In other words, the anode was compressed more than the cathode.

본 발명의 연료전지용 막-전극 복합체에서 전해질막으로는 이온 전도성 고분자막을 사용할 수 있다. 이러한 이온 전도성 고분자의 예의 일부만 들자면 과불소화 술폰산기 함유 고분자(예를 들어 듀폰사의 나피온), 퍼플루오로계 양성자 전도성 중합체, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술폰화 폴리(에테르-케톤)계로 대표되는 탄화수소계 고분자, 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤계 고분자, 폴리이미드계, 폴리스티렌계 고분자, 폴리술폰계 고분자 및 클레이-술폰화 폴리술폰 나노복합체(clay-sulfonated polysulfone nanocomposite)가 있다. In the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention, an ion conductive polymer membrane can be used as an electrolyte membrane. Some examples of such ionically conductive polymers are represented by perfluoro-based proton conductive polymers, sulfonated polysulfone copolymers, and sulfonated poly (ether-ketone) polymers, including perfluoro sulfonic acid group-containing polymers Sulfonated polyether ether ketone polymers, polyimide polymers, polystyrene polymers, polysulfone polymers, and clay-sulfonated polysulfone nanocomposites.

본 발명의 연료전지용 막-전극 복합체에서 연료극과 공기극의 압착 촉매층은 이온 전도성 물질과 금속 촉매를 포함한다. 압착 촉매층의 이온 전도성 물질로는 전해질막에 관하여 전술한 물질 또는 그 혼합물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 듀퐁사에 의하여 공급되는 나피온(Nafion) 및 이와 유사한 고분자 물질들을 사용할 수 있다. 상기 이온 전도성 물질은 연료극과 공기극에서 동일한 물질을 같은 함량으로 또는 다른 함량으로 사용할 수도 있고, 서로 다른 물질을 사용할 수도 있다.In the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention, the compression catalyst layer of the anode and the cathode includes an ion conductive material and a metal catalyst. As the ion conductive material of the compression catalyst layer, the above-described materials or mixtures thereof can be used for the electrolyte membrane. For example, Nafion and similar polymeric materials supplied by DuPont can be used. The ion conductive material may use the same material in the fuel electrode and the air electrode in the same or different contents, or different materials may be used.

상기 압착 촉매층의 금속 촉매로는 이 분야에서 흔히 촉매로 쓰이는 금속을 사용할 수 있고 특별한 제약이 없다. 예를 들어 연료극 촉매로서 백금이나 백금-루테늄 합금 또는 혼합물을 사용할 수 있다. 그리고 공기극 촉매로서는 예를 들어 백금, 백금-코발트, 백금-니켈 등의 금속, 합금 또는 금속 혼합물을 사용할 수 있다.As the metal catalyst of the squeeze catalyst layer, metal which is often used as a catalyst in this field can be used and there is no particular limitation. For example, platinum or a platinum-ruthenium alloy or a mixture may be used as the anode catalyst. As the cathode catalyst, for example, metals such as platinum, platinum-cobalt, platinum-nickel, alloys or metal mixtures can be used.

본 발명의 한 실시 형태에서는 상기 금속 촉매가 금속 입자이다. 본 발명의 다른 실시 형태에서는 상기 금속 촉매가 촉매용 금속을 담지한 담체의 형태, 즉 금속 담지 촉매이다. 본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는 이러한 금속 담지 촉매에서 담체로 탄소 분말과 같이, 전도성을 가지며 촉매용 금속 입자를 담지할 수 있는 미세기공(micropore)을 갖는 고체 입자를 사용할 수 있다. 본 발명의 더욱 구체적인 실시 형태에서는 상기 담체가 탄소계 담체이다. 본 발명의 탄소계 담체의 예로는 예를 들면, 카본 분말, 활성탄 분말, 흑연 분말 또는 탄소 분자체인 분말 등이 사용될 수 있다. 상기 활성탄 분말의 구체적인 예로서는 불칸 XC-72(Vulcan XC-72), 케첸블랙(ketjen black) 등이 있다. 본 발명에서 금속 촉매를 형성하는 데 쓰일 수 있는 분말 형태의 탄소계 담체의 예를 더 들자면, 카본블랙, 아세틸렌블랙, 탄소 나노섬유 분말, 또는 이들의 혼합물 등이 있다.In one embodiment of the present invention, the metal catalyst is a metal particle. In another embodiment of the present invention, the metal catalyst is in the form of a carrier carrying a catalyst metal, that is, a metal-supported catalyst. In a specific embodiment of the present invention, in such a metal-supported catalyst, solid particles such as carbon powder, which have conductivity and have micropore capable of supporting catalyst metal particles, can be used. In a more specific embodiment of the present invention, the carrier is a carbon-based carrier. Examples of the carbon-based carrier of the present invention include carbon powder, activated carbon powder, graphite powder or carbon molecular weight powder, and the like. Specific examples of the activated carbon powder include Vulcan XC-72, Ketjen black, and the like. Examples of the carbon-based carrier in powder form that can be used to form the metal catalyst in the present invention include carbon black, acetylene black, carbon nanofiber powder, or a mixture thereof.

이러한 금속 담지 촉매에서 탄소계 담체의 비중은 금속 담지 촉매 전체 중량 기준으로 30 중량% 내지 70 중량%가 되도록 금속 촉매를 탄소계 담체에 담지하면 적당하다.The specific gravity of the carbon-based support in such a metal-supported catalyst is suitably 30% by weight to 70% by weight based on the total weight of the metal-supported catalyst.

본 발명의 한 바람직한 실시 형태에서는 상기 연료극 압착 촉매층과 상기 공기극 압착 촉매층이 동일한 이온 전도성 물질과 동일한 금속 촉매를 사용한다. 본 발명의 더욱 바람직한 실시 형태에서는 상기 연료극 압착 촉매층과 상기 공기극 압착 촉매층의 화학적 조성이 동일하다.In a preferred embodiment of the present invention, the fuel electrode-pressed catalyst layer and the air electrode compression catalyst layer use the same metal catalyst as the same ion conductive material. In a further preferred embodiment of the present invention, the chemical composition of the anode-squeeze catalyst layer and the cathode-sintered catalyst layer is the same.

본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체의 한 실시 형태에서 연료극 압착 촉매층의 이온 전도성 물질 함량은 연료극의 중량을 기준으로 25 내지 35 중량%이다. 이온 전도성 물질의 함량이 이 범위에 있으면 연료극의 이온 전달 효과가 우수하면서 연료, 수소 이온 또는 부산물의 이동도 원활하게 유지할 수 있다. 반면에 이온 전도성 물질의 함량이 연료극 중량의 25 중량% 미만이면 이온 전달 효과가 충분하지 못하다. 또한 함량이 연료극 중량의 35 중량%를 넘으면 연료, 수소 이온과 부산물의 이동 경로가 막히거나 좁아질 수 있다.In one embodiment of the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention, the ion conductive material content of the fuel electrode sintered catalyst layer is 25 to 35% by weight based on the weight of the anode. When the content of the ion conductive material is within this range, the ion transport effect of the fuel electrode is excellent and the movement of the fuel, the hydrogen ion, or the byproduct can be smoothly maintained. On the other hand, if the content of the ion conductive material is less than 25 wt% of the weight of the anode, the ion transfer effect is not sufficient. Also, if the content exceeds 35 wt% of the weight of the anode, the flow paths of fuel, hydrogen ions and byproducts may become clogged or narrowed.

본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체의 한 실시 형태에서 공기극 압착 촉매층의 이온 전도성 물질 함량은 공기극의 중량을 기준으로 20 내지 33 중량%이다. 다. 더 바람직하게는 25 중량% 이상, 33 중량% 이하이다. 이온 전도성 물질의 함량이 이 범위에 있으면 공기 중의 산소가 양성자와 반응하여 물을 생성하는 속도가 빠르고 공기극의 함수율을 적절한 수준으로 유지하므로 연료의 이동이 원활하다. 반면에 이온 전도성 물질의 함량이 공기극 중량의 20 중량% 미만이면 공기가 반응할 수 있는 부위를 충분히 제공할 수 없고, 상기 함량이 33 중량%를 넘으면 공기 반응물이 이동하는 채널이 막힐 수 있을 뿐만 아니라 함수율이 과도해져 연료의 이동을 더디게 할 수 있어 바람직하지 못하다.In one embodiment of the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention, the ion conductive material content of the air electrode sintered catalyst layer is 20 to 33 wt% based on the weight of the air electrode. All. More preferably not less than 25% by weight, and not more than 33% by weight. When the content of the ion conductive material is within this range, the oxygen in the air reacts with the proton to produce water at a high rate and maintains the water content of the air electrode at an appropriate level, so that the fuel is smoothly moved. On the other hand, if the content of the ion conductive material is less than 20 wt% of the weight of the air electrode, it is impossible to sufficiently provide a site where air can react, and if the content exceeds 33 wt% It is undesirable because the water content becomes excessive and the movement of the fuel can be slowed down.

본 발명의 막-전극 접합체에서 압착 촉매층은 용매를 함유하지 않거나, 함유하더라도 용매 잔존율이 압착 촉매층의 중량 기준으로 30 중량% 이하이다. 용매 잔존율이 30 중량% 이하이면 압착 촉매층, 전해질막이 오염되거나 이들 사이의 부착력이 약화되는 것을 방지할 수 있다.In the membrane-electrode assembly of the present invention, the compression catalyst layer does not contain a solvent or contains a solvent, and the solvent remaining ratio is 30% by weight or less based on the weight of the compression catalyst layer. When the residual solvent ratio is 30% by weight or less, it is possible to prevent the fouling catalyst layer and the electrolyte membrane from being contaminated or the adhesion between them being weakened.

본 발명의 한 실시 형태에서 압착 촉매층의 두께는 5~20 ㎛이다. 압착 촉매층이 더 두꺼워지면 물 관리 및 물 배출이 용이하지 않기 때문에 내구성을 저하시키는 원인이 된다.In one embodiment of the present invention, the thickness of the compression catalyst layer is 5 to 20 占 퐉. If the compression catalyst layer is thicker, water management and water discharge are not easy, which causes a decrease in durability.

본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에서 연료극 압착 촉매층과 공기극 압착촉매층은 전해질막과의 결합을 위하여 압착된다. 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에서 연료극 압착 촉매층의 압축률 Rano(연료극-전해질막-공기극 방향의 두께 감소율)는 50% 이하이다. 더 바람직하게는 연료극 압착 촉매층의 압축률 Rcat가 30%~50% 이하이다. 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에서 공기극 압착 촉매층의 압축률 Rcat(연료극-전해질막-공기극 방향의 두께 감소율)는 Rano 미만이고, Rano에 대한 Rcat의 비율 Rcat/Rano가 0.4 이상 1 미만이다. 더 바람직하게는 상기 압축률의 비 Rcat/Rano가 0.45에서 0.8이다.In the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention, the fuel electrode squeeze catalyst layer and the air electrode squeeze catalyst layer are squeezed for bonding with the electrolyte membrane. In the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention, the compression ratio R ano (reduction rate of the thickness in the direction of the fuel electrode-electrolyte membrane-air electrode) of the fuel electrode compression catalyst layer is 50% or less. More preferably, the compression ratio R cat of the fuel electrode compression catalyst layer is 30% to 50% or less. A fuel cell membrane of the invention the compression ratio of the air electrode squeezed catalyst layer in the electrode assembly R cat (fuel electrode-electrolyte membrane of the air electrode direction thickness reduction ratio) of R is less than ano, ratio R cat / R ano of R cat for R ano 0.4 Or more. More preferably, the compression ratio R cat / R ano is 0.45 to 0.8.

연료극 압착 촉매층의 압축률이 전술한 범위에 있으면 연료극의 기공 부피를 줄여 수분 함유성을 높일 수 있기 때문에 연료극이 고습도 상태로 유지되므로 전해질막 열화 속도를 늦출 수 있다. 연료극 촉매층의 압축률이 50%를 넘으면 전극층의 기공 구조를 파괴하여 성능 및 내구성을 떨어뜨리는 역효과가 일어날 수 있다. 또한 전술한 조건으로 공기극 압착 촉매층을 압축하면 공기극의 물 관리를 용이하게 할 수 있는 전극 기공 구조가 생성된다.When the compression ratio of the fuel electrode squeeze catalyst layer is within the above-mentioned range, the pore volume of the fuel electrode can be reduced to enhance the water-containing property, so that the fuel electrode is maintained in a high humidity state and the electrolyte membrane deterioration rate can be reduced. If the compression ratio of the anode catalyst layer exceeds 50%, the pore structure of the electrode layer may be destroyed, which may adversely affect performance and durability. Compressing the air electrode compression catalyst layer under the above-described conditions produces an electrode pore structure that can facilitate water management of the air electrode.

연료극과 공기극의 압착 촉매층의 압축률 비 Rcat/Rano가 상기 범위에 있으면 막-전극 접합체의 내구성을 향상시킬 수 있어서 바람직하다. 이 범위로 압착 촉매층의 압축률을 유지하면 양 전극의 촉매층을 같은 비율로 압축하여 제조한 연료전지보다 시간이 지나면서 개방 회로 전압(OCV)과 전류 밀도 등의 전지 성능이 감소하는 속도를 늦출 수 있다.When the compression ratio R cat / R ano of the compression catalyst layer of the anode and the cathode is within the above range, the durability of the membrane-electrode assembly can be improved. If the compression ratio of the compressed catalyst layer is maintained within this range, the rate at which the cell performance such as the OCV and the current density decreases over time can be slower than the fuel cell produced by compressing the catalyst layers of the both electrodes at the same ratio .

고분자 막 열화를 발생시키는 원인은 오염, 열, 전기화학적 열화, 압력 등을 들 수 있는데, 운송용 연료전지는 극악의 작동 조건에 의해서 열화가 일어나기 쉽다. 운송용 연료전지에서는 특히 전기화학적 원인에 의하여 전해질막의 고분자 사슬이 끊어지는 현상이 일어난다. 일반적인 연료전지의 내구성 실험 중 전압 싸이클 작동 동안 OCV 상태와 저전압 상태를 되풀이하면 고가습 상태와 저가습 상태가 갈마들고 이에 따라 기계적 물성이 떨어져 막이 찢어지는 현상이 일어난다. 또한 OCV/저가습 조건에서 산소 라디칼/과산화수소의 전해질막 열화가 가속화되며, 특히 연료극 촉매층이 저가습 상태로 장시간 유지될 경우 고분자 열화 속도가 증가한다.Polymer membrane deterioration is caused by pollution, heat, electrochemical deterioration, and pressure. Transport fuel cells are prone to deterioration due to extreme operating conditions. In the fuel cell for transportation, the polymer chains of the electrolyte membrane break down due to electrochemical causes. During the durability test of a typical fuel cell, when the OCV state and the low voltage state are repeated during the voltage cycle operation, the high humidification state and the low humidification state occur and the mechanical property is deteriorated and the membrane tears. Also, the deterioration of the electrolyte membrane of the oxygen radical / hydrogen peroxide accelerates under the OCV / low humidification condition, and the degradation rate of the polymer increases when the fuel electrode catalyst layer is maintained in a low humidity state for a long time.

막-전극 접합체는 압착에 쓰인 핫프레싱, 열간 압연 등의 가압 정도에 따라서 그 전극 촉매층의 압축률이 달라지며, 압축률이 커질수록 전극 촉매층의 기공은 조밀해져 함수율이 향상될 수 있다. 하지만 압축률이 과도하면 전극 촉매층의 기공이 너무 조밀해지거나 파괴되며 물 배출도 원활하지 못하게 되어 내구성이 떨어진다. 본 발명자들은 전술한 바와 같은 조건으로 전극 촉매층을 전해질막에 압착하면 연료극의 전극층을 좀 더 가습 상태로 유지시켜 막 열화의 가속을 늦추어 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다.The compressibility of the electrode catalyst layer varies depending on the degree of pressurization of the membrane-electrode assembly, such as hot pressing or hot rolling, and as the compression ratio increases, the pores of the electrode catalyst layer become dense and the water content can be improved. However, if the compression ratio is excessively high, the pores of the electrode catalyst layer become too dense or destroyed and the water discharge is not smooth, resulting in durability. The present inventors have found that if the electrode catalyst layer is pressed onto the electrolyte membrane under the conditions as described above, the electrode layer of the fuel electrode is kept in a more humidified state, and the durability of the fuel cell can be improved by delaying the acceleration of the membrane deterioration.

연료극과 공기극 압착 촉매층의 화학적 조성이 동일한, 전술한 본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는 상기 압착 촉매층의 압축률 비가 바로 압착 촉매층 밀도의 비로 이어진다. 즉 이 구체적인 실시 형태에서는 공기극 압착 촉매층의 밀도를 연료극 압착 촉매층의 밀도로 나눈 비가 0.4 이상 1 미만이다. 더욱 바람직하게는 이 밀도비가 0.45 내지 0.8이다.In the above-described specific embodiment of the present invention in which the chemical composition of the anode and the cathode catalyst layer is the same, the compression ratio of the compression catalyst layer directly leads to the ratio of the density of the compression catalyst layer. That is, in this specific embodiment, the ratio of the density of the air electrode compression catalyst layer divided by the density of the fuel electrode compression catalyst layer is 0.4 or more and less than 1. More preferably, the density ratio is 0.45 to 0.8.

본 발명의 한 실시 형태에서 연료극의 함수율은 공기극의 함수율보다 높다.In one embodiment of the present invention, the water content of the anode is higher than that of the cathode.

본 발명의 한 측면에서는 전술한 고분자 전해질형 연료전지의 막-전극 접합체의 제조 방법을 개시한다.In one aspect of the present invention, a method for producing a membrane-electrode assembly of the above-described polymer electrolyte fuel cell is disclosed.

본 발명의 제조 방법에서 막-전극 접합체는 습식 공정을 이용하는 촉매 피복막(CCM) 방식으로 제조된다. 촉매 피복막(CCM)의 방식에서 연료극과 공기극에 대한 전해질막 압착 압력을 조절하여 그 전극 촉매층의 두께 감소폭을 조절한다.In the manufacturing method of the present invention, the membrane-electrode assembly is manufactured by a catalyst coating film (CCM) method using a wet process. In the method of the catalyst coating film (CCM), the thickness of the electrode catalyst layer is controlled by adjusting the pressure of the electrolyte membrane against the anode and the cathode.

전술한 제조 방법은 (a) 제1 지지막 상에 제1 이온 전도성 물질, 제1 금속 촉매 및 선택적으로 제1용매를 포함하는 연료극 촉매층이 형성된 연료극 전사 필름을 제조하고, 제2 지지막 상에 제2 이온 전도성 물질, 제2 금속 촉매 및 선택적으로 제2 용매를 포함하는 공기극 촉매층이 형성된 공기극 전사 필름을 제조하는 단계,The above-mentioned manufacturing method comprises the steps of: (a) preparing a fuel electrode transfer film on which an anode catalyst layer comprising a first ion conductive material, a first metal catalyst and optionally a first solvent is formed on a first support film, Preparing a cathode electrode transfer film on which a cathode catalyst layer comprising a second ion conductive material, a second metal catalyst and optionally a second solvent is formed,

(b) 상기 연료극 전사 필름을 고분자 전해질막의 한쪽 면에 압착하되, 상기 (a) 단계에서 얻은 연료극 촉매층의 두께 방향의 압축률 Rano가 관계식(b) compressing the anode electrode transfer film on one side of the polymer electrolyte membrane, wherein the compression ratio R ano in the thickness direction of the anode catalyst layer obtained in the step (a)

Figure 112011062048567-pat00006
를 만족하도록 압착하는 연료극 전사 단계,
Figure 112011062048567-pat00006
So as to satisfy the following equation:

(c) 상기 공기극 전사 필름을 상기 고분자 전해질막의 반대면에 압착하되, 상기 (a) 단계에서 얻은 공기극 촉매층의 두께 방향의 압축률 Rcat가 관계식

Figure 112011062048567-pat00007
Figure 112011062048567-pat00008
를 만족하도록 압착하는 공기극 전사 단계를 포함한다.(c) The synthesis of the cathode pressed against the transfer film opposite the polymer electrolyte membrane side, wherein (a) the compression ratio R cat in the thickness direction of the cathode catalyst layer obtained in step relation
Figure 112011062048567-pat00007
Wow
Figure 112011062048567-pat00008
So as to satisfy the following condition: &lt; EMI ID = 1.0 &gt;

도 3은 본 발명의 한 실시 형태에 따른 막-전극 접합체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소 또는 동일한 구성 요소의 일부분을 나타낸다. 이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 막-전극 접합체 제조 방법의 한 실시 형태에 관하여 상세히 설명한다.3 is a view for explaining a method of manufacturing a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention. Like reference numerals in the drawings denote the same elements or portions of the same elements. Hereinafter, one embodiment of the membrane-electrode assembly manufacturing method of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

먼저, (a) 단계의 전사 필름 제조를 위하여 제1 지지막(200) 및 연료극 형성용 조성물을 준비한다. 또한, 제2 지지막(200') 및 공기극 형성용 조성물을 준비한다.First, a first support film 200 and a composition for forming a fuel electrode are prepared for the production of a transfer film of step (a). Also, a second support film 200 'and a composition for forming an air electrode are prepared.

제1 및 제2 지지막(200, 200')으로는 폴리에틸렌 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)막, 테플론막, 폴리이미드막(예를 들어 Kepton 필름), 폴리테트라플루오로에틸렌막 등이 사용될 수 있으며, 이들로 제한되는 것은 아니다.As the first and second support films 200 and 200 ', a polyethylene film, a polyethylene terephthalate (PET) film, a Teflon film, a polyimide film (for example, Kepton film), a polytetrafluoroethylene film, But are not limited to these.

연료극 형성용 조성물은 제1 용매, 제1 금속 촉매와 제1 이온 전도성 물질을 포함한다. 공기극 형성용 조성물은 제2 용매 제2 금속 촉매, 제2 이온 전도성 물질을 포함한다. The composition for forming an anode includes a first solvent, a first metal catalyst, and a first ion conductive material. The composition for forming an air electrode comprises a second solvent second metal catalyst, and a second ion conductive material.

연료극 또는 공기극 형성용 조성물에 쓰이는 이온 전도성 물질은 앞서 설명한막-전극 접합체 압착 촉매층의 이온 전도성 물질과 동일하다. 제1 이온 전도성 물질과 제2 이온 전도성 물질은 서로 독립적이지만, 동일한 물질을 동일한 함량으로 사용할 수도 있다. 전술한 전극 형성용 조성물에서 이온 전도성 물질은 용매에 분산되어 있다. 이온 전도성 물질과 마찬가지로 제1 용매와 제2 용매 모두 서로 같거나 다를 수 있다. 상기 제1 및 제2 용매로는, 각각 독립적으로, 물, 에틸렌글리콜, 이소프로필 알코올, 폴리알콜, N-부틸알코올, N-부틸아세테이트, 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는 이온 전도성 물질이 용이하게 분산되도록 연료극 또는 공기극 형성용 조성물에 세제(detergent)를 추가할 수 있다. 이러한 세제의 예로는 Triton X-10이 있다. 제1 용매 및 제2 용매의 함량은 금속 촉매의 비체적에 따라 당업자가 그 양을 적절하게 가감할 수 있는데, 대개 금속 촉매 100 중량부를 기준으로 하여 100 내지 1,700 중량부의 범위 내로 사용하면 대부분의 경우 적당하다.The ion conductive material used in the composition for forming the anode or the air electrode is the same as the ion conductive material in the above-described membrane-electrode junction body compression catalyst layer. The first ion conductive material and the second ion conductive material are independent of each other, but the same materials may be used in the same amount. In the above-mentioned composition for forming an electrode, the ion conductive material is dispersed in a solvent. Like the ion conductive material, both the first solvent and the second solvent may be the same or different. As the first and second solvents, water, ethylene glycol, isopropyl alcohol, polyalcohol, N-butyl alcohol, N-butyl acetate, or a mixture thereof may be used independently. In one specific embodiment of the present invention, a detergent may be added to the composition for forming the anode or the air electrode so that the ion conductive material is easily dispersed. An example of such a detergent is Triton X-10. The amount of the first solvent and the second solvent can be appropriately adjusted by a person skilled in the art according to the specific volume of the metal catalyst. In most cases, if the amount is 100 to 1,700 parts by weight based on 100 parts by weight of the metal catalyst It is suitable.

본 발명의 한 바람직한 실시 형태에서는 상기 연료극 형성용 조성물과 상기 공기극 형성용 조성물이 서로 동일한 이온 전도성 물질과 동일한 금속 촉매를 (같은 함량 또는 다른 함량으로) 사용한다. 본 발명의 더욱 바람직한 실시 형태에서는 상기 연료극 형성용 조성물과 상기 공기극 형성용 조성물의 화학적 조성이 동일하다.In a preferred embodiment of the present invention, the composition for anode electrode and the composition for forming the air electrode use the same metal catalyst (with the same content or different content) as the same ion conductive material. In a more preferred embodiment of the present invention, the chemical composition of the anode-forming composition and the cathode-forming composition are the same.

이어서 (a) 단계의 전사 필름 형성을 위하여 제1 지지막(200) 상부에 연료극(102) 형성용 조성물을 코팅 및 건조함으로써 연료극 촉매층(연료극 형성용 조성물의 층)이 형성된 제1 전사 필름을 얻고 마찬가지 과정을 제2 지지막(200')에 반복 하여 공기극 촉매층(공기극 형성용 조성물의 층)이 형성된 제2 전사 필름을 얻는다. 물론 이 때 연료극과 공기극의 코팅 및 건조의 선후를 바꾸거나 동시에 수행하여도 무방하다. 그리고 용매의 잔류 여부에 따라 상기 양 전극 촉매층 속에는 용매가 더 포함될 수도 있다.Next, to form a transfer film of step (a), a composition for forming the fuel electrode 102 is coated on the first support film 200 and dried to obtain a first transfer film having a fuel electrode catalyst layer (layer of a composition for forming a fuel electrode) The same process is repeated on the second support film 200 'to obtain a second transfer film having a cathode catalyst layer (a layer of a composition for forming an air electrode) formed thereon. Of course, it is also possible to change the coating of the fuel electrode and the air electrode at the same time, or to perform the drying at the same time. Depending on whether the solvent remains or not, a solvent may be further included in the both electrode catalyst layers.

전술한 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니다. 본 발명 제조 방법의 여러 실시 형태에서는 닥터 블레이드, 바 코팅, 스핀 코팅, 스크린 프린팅 등이 모두 사용될 수 있다. The above-mentioned coating method is not particularly limited. In various embodiments of the manufacturing method of the present invention, a doctor blade, a bar coating, a spin coating, a screen printing, or the like may all be used.

본 발명 제조 방법의 한 구체적인 실시 형태에서 지지막에 도포한 전극 형성용 조성물의 건조는 30 내지 150℃ 온도에서 실시하여 용매 잔존율이 30 % 이하가 되도록 제어한다. 이와 같이 용매 잔존율을 제어하면 전극 촉매층, 전해질막이 오염되거나 이들 사이의 부착력이 약화되는 것을 방지할 수 있다. In one specific embodiment of the method of the present invention, drying of the electrode forming composition applied to the support film is carried out at a temperature of 30 to 150 캜 to control the solvent remaining ratio to be 30% or less. By controlling the solvent remaining ratio as described above, it is possible to prevent the electrode catalyst layer and the electrolyte membrane from being contaminated or the adhesion between them being weakened.

전술한 제조 방법의 (b) 단계인 연료극 전사 단계에서는 상기 제1 전사 필름의 미압착 연료극(102)을 전해질막(101)의 한 쪽 면에 인접되게 배치하여 압착한다. 이 때 압착은 상기 제1 전사 필름의 제1 지지막(200) 위에 도포·건조된 연료극 촉매층이 압착 후 연료극 압착 촉매층으로 바뀌면서 그 두께 감소율(압축률)이 50% 이하가 되도록 가압한다. 즉 연료극 촉매층의 압축률 두께 방향의 압축률

Figure 112011062048567-pat00009
가 0 초과 0.5 이하가 되도록 한다.In the fuel electrode transfer step (b) of the above-described manufacturing method, the untouched fuel electrode 102 of the first transfer film is disposed adjacently to one surface of the electrolyte membrane 101 and is compressed. At this time, the compression is performed such that the anode catalyst layer coated on the first support film (200) of the first transfer film is converted into a fuel electrode sintered catalyst layer after compression, and the thickness reduction rate (compression ratio) is 50% or less. That is, the compression ratio of the anode catalyst layer in the thickness direction
Figure 112011062048567-pat00009
Is greater than 0 and less than 0.5.

전술한 제조 방법의 (c) 단계인 공기극 전사 단계에서는 상기 제1 전사 필름을 제거하지 않은 상태에서 전해질막(101)의 반대면에 제2 전사 필름상의 공기극(102')을 인접하게 배치하여 압착한다. 이 때 압착은 상기 제2 전사 필름의 제2 지지막(200') 위에 도포·건조된 공기극 촉매층이 압착 후 공기극 압착 촉매층으로 바뀌면서 그 두께 감소율(압축률)이 연료극의 압축률 미만이 되도록 가압한다. 즉 연료극 촉매층의 압축률 두께 방향의 압축률

Figure 112011062048567-pat00010
가 0 초과 Rano 미만이 되도록 한다. 아울러 관계식
Figure 112011062048567-pat00011
를 만족하도록 공기극에 압력을 가한다. 더 바람직하게는 상기 압축률의 비 Rcat/Rano가 0.45에서 0.8이 되도록 압착한다.In the air electrode transfer step (c) of the above-described manufacturing method, the air electrode 102 'on the second transfer film is disposed adjacent to the opposite surface of the electrolyte membrane 101 without removing the first transfer film, do. At this time, the air electrode catalyst layer coated on the second support film 200 'of the second transfer film is pressed, and the air electrode catalyst layer is compressed so that the thickness reduction rate (compression ratio) is less than the compression ratio of the anode. That is, the compression ratio of the anode catalyst layer in the thickness direction
Figure 112011062048567-pat00010
Is greater than 0 R ano . Furthermore,
Figure 112011062048567-pat00011
The pressure is applied to the air electrode. More preferably, the compression ratio R cat / R ano is 0.45 to 0.8.

본 발명 제조 방법의 한 실시 형태에서는 전해질막에 대하여 제1 전사 필름을 먼저 압착하며, 전술한 것과 같은 전극 촉매층의 압축률 비를 얻기 위한 수단으로 제2 전사 필름을 압착할 때 제1 전사 필름보다 낮은 압력으로 압착한다. 예를 들어, 본 발명의 더욱 구체적인 실시 형태에서는 압착 온도가 80℃~140℃이며, 제1 전사 필름의 압착 압력 P1과 제2 전사 필름의 압착 압력 P2가 다음 조건을 만족하도록 압착할 수 있다.In one embodiment of the production method of the present invention, when the first transfer film is first pressed against the electrolyte membrane and the second transfer film is compressed by the means for obtaining the compression ratio of the electrode catalyst layer as described above, Squeeze with pressure. For example, in a more specific embodiment of the present invention, the pressing temperature is 80 ° C to 140 ° C, and the pressing pressure P 1 of the first transfer film and the pressing pressure P 2 of the second transfer film satisfy the following conditions have.

<수학식 1>&Quot; (1) &quot;

30 kg/cm2 ≤ P1 ≤ 270 kg/cm2 30 kg / cm 2 ? P 1 ? 270 kg / cm 2

<수학식 2>&Quot; (2) &quot;

1 kg/cm2 ≤ P2 ≤ 120 kg/cm2 1 kg / cm 2 ? P 2 ? 120 kg / cm 2

<수학식 3>&Quot; (3) &quot;

P1> P2 P 1 > P 2

본 발명의 제조 방법의 다른 실시 형태에서는 전술한 것과 같은 전극 촉매층의 압축률 비를 얻기 위한 수단으로 전해질막의 면마다 두께가 서로 다른 서브가스켓을 설치하여 압착함으로써 압축률을 조절할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 더욱 구체적인 실시 형태에서는 상기 연료극 서브가스켓이 상기 공기극 서브가스켓보다 얇다. 이러한 두께가 서로 다른 서브가스켓을 전해질막의 양면에 설치하는 경우를 도 3에서 예시하고 있다.In another embodiment of the production method of the present invention, the compression ratio can be adjusted by providing a sub gasket having a different thickness for each surface of the electrolyte membrane as a means for obtaining the compression ratio of the electrode catalyst layer as described above. For example, in a more specific embodiment of the present invention, the fuel electrode sub gasket is thinner than the air electrode sub gasket. A case where the sub gaskets having different thicknesses are provided on both surfaces of the electrolyte membrane is illustrated in Fig.

도 3에서는 전해질막(101)의 양면에서 그 테두리 영역에 서브가스켓(300,300')을 설치한다. 서브가스켓(300, 300')은 막-전극 접합체의 면압 유지 및 기밀성, 취급의 편리를 위하여 설치하는 것으로서, 전극 촉매층보다 두껍게 하는 것이 바람직하다. 도 3의 연료극 전사 단계에서는 연료극 압착 촉매층을 형성할 전해질막(101)표면의 테두리에 연료극 촉매층보다 두껍게 서브가스켓(300)이 설치되고, 이 서브가스켓(300)으로 둘러싸인 전해질막(101) 표면에 제1 지지막(200)과 연료극 촉매층(102)을 포함하는 제1 전사 필름을 압착하게 된다. 마찬가지로 전해질막(101)의 반대쪽 면의 테두리에 공기극 촉매층보다 두꺼운 서브가스켓(300')이 설치되어 있어서, 그 안의 면에 제2 지지막(200')과 공기극 촉매층(102')을 포함하는 제2 전사 필름을 압착한다. 도 3에 나타낸 실시 형태에서 연료극의 서브가스켓(300)은 공기극의 서브가스켓(300')보다 얇다.In FIG. 3, the sub gaskets 300 and 300 'are provided in the edge regions on both sides of the electrolyte membrane 101. The sub gaskets 300 and 300 'are provided for maintenance of the surface pressure of the membrane-electrode assembly, airtightness, and convenience of handling, and are preferably thicker than the electrode catalyst layer. 3, a sub gasket 300 is provided on the rim of the surface of the electrolyte membrane 101 on which the fuel electrode squeeze catalyst layer is to be formed. The sub gasket 300 is thicker than the fuel electrode catalyst layer. On the surface of the electrolyte membrane 101 surrounded by the sub- The first transfer film including the first support film 200 and the anode catalyst layer 102 is squeezed. A sub gasket 300 'which is thicker than the air electrode catalyst layer is provided at the edge of the electrolyte membrane 101 opposite to the electrolyte membrane 101 so that the second gas barrier layer 200' and the air electrode catalyst layer 102 ' 2 Squeeze the transfer film. In the embodiment shown in FIG. 3, the sub-gasket 300 of the fuel electrode is thinner than the sub-gasket 300 'of the air electrode.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는 전술한 것과 같은 전극 촉매층의 압축률 비를 얻기 위한 수단으로 제2 전사 필름을 압착할 때 제1 전사 필름보다 낮은 압력으로 압착함과 동시에 연료극 서브가스켓을 상기 공기극 서브가스켓보다 얇게 한다.In a specific embodiment of the present invention, when the second transfer film is squeezed as a means for obtaining the compression ratio of the electrode catalyst layer as described above, it is compressed at a pressure lower than that of the first transfer film, and the fuel electrode sub- Thinner.

상기 제1 전사 필름 및 제2 전사 필름의 전사는, 열압착 방법 또는 롤투롤(roll-to-roll) 방법에 의해 이루어질 수 있다. 열압착 방법이란 고온 하에서 2 이상의 물체를 서로 압착시키는 방법으로서, 이러한 열압착 방법에 의해 전사가 이루어지는 경우, 전사 조건으로는 80 내지 140℃의 온도, 1 내지 270 kg중/cm2의 압력, 및 1 내지 10분의 시간 주기가 바람직하다. 롤투롤 방법이란 롤러 사이를 연속적으로 통과시켜 2 이상의 물체를 부착시키는 방법이다. 이러한 열압착 방법이나 롤투롤 방법은 이 분야에 널리 알려져 있는 방식을 사용하면 무방하므로 여기서 상술하지 않는다. The transfer of the first transfer film and the second transfer film may be performed by a thermal compression method or a roll-to-roll method. A method of thermo-compression bonding method is pressed together at least two objects at a high temperature, if made of a transfer by such thermal compression bonding method, a transfer condition as at 80 to a temperature of 140 ℃, 1 to 270 kg pressure in the / cm 2, and A time period of 1 to 10 minutes is preferable. The roll-to-roll method is a method in which two or more objects are attached by continuously passing between rollers. Such a thermocompression method or a roll-to-roll method may be used in a manner well known in the art, and therefore, it is not described herein.

이어서, 상기 결과물로부터 제1 지지막(200) 및 제2 지지막(200')을 박리하여 제거해낸다. 이러한 제1 전사 필름 및 제2 전사 필름의 전사는 동시에 이루어질 수도 있고, 하나씩 별도로 이루어질 수도 있다.Then, the first supporting film 200 and the second supporting film 200 'are peeled and removed from the resultant product. The transfer of the first transfer film and the second transfer film may be performed simultaneously or separately.

상기 전사 과정을 통해 전해질막의 양면에 한 쌍의 전극 촉매층(102, 102')이 형성된 촉매 피복막(CCM) 방식의 막-전극 접합체를 얻을 수 있다.A CCM membrane-electrode assembly can be obtained in which a pair of electrode catalyst layers 102 and 102 'are formed on both surfaces of the electrolyte membrane through the transfer process.

본 발명의 또 다른 측면에서는 이러한 막-전극 접합체를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다. 본 발명에 따른 막-전극 접합체는 전극 층에서의 물 관리 및 물질 전달을 용이하게 하여 높은 내구성을 가지는 연료전지를 제조할 수 있게 된다.In another aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell comprising such a membrane-electrode assembly. The membrane-electrode assembly according to the present invention facilitates water management and mass transfer in the electrode layer, thereby making it possible to manufacture a fuel cell having high durability.

전술한 것과 같이 막-전극 접합체를 제조한 후에는 공지 기술에 따라 가스 확산층을 설치하는 단계가 따를 수 있고, 이어서 유로가 형성된 분리판을 적층하여 하나의 단위 전지(cell)를 형성할 수 있다. 이러한 단위 전지를 여러 개 적층하면 원하는 규모의 연료전지 스택을 얻을 수 있다. 이 같은 내용은 이 분야에 널리 알려져 있으며 여기서는 상술하지 않는다.After the membrane-electrode assembly is manufactured as described above, a step of providing a gas diffusion layer may be performed according to a known technique, and then one separator plate having flow paths may be laminated to form one unit cell. When a plurality of such unit cells are stacked, a fuel cell stack having a desired size can be obtained. This is well known in the art and is not described here.

[실시예] [ Example ]

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀 더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, but the scope of the present invention is not limited thereto.

본 발명에 따른 막-전극 접합체와 종래 기술의 막-전극 접합체의 성능을 비교하기 위하여 다음과 같이 실시예와 비교예 막-전극 접합체를 제조하여 성능을 평가하였다.In order to compare the performance of the membrane-electrode assembly according to the present invention and the membrane-electrode assembly of the prior art, the membrane-electrode assemblies of Examples and Comparative Examples were prepared and evaluated for their performance.

연료극, 공기극 형성용 조성물을 제조하기 위하여, 물 37 g 및 1-프로판올 19 g의 혼합 용매에, 당량(g/eq)이 1000이고 이온 전도도가 0.09 S/cm이며 함수율이 25 wt%인 나피온 20 wt% 용액(Dupont, Nafion Dispersion, DE 2020) 8.5 g, 금속 촉매로 백금이 담지된 케첸 블랙(백금 45 wt%) 5 g 및 분산제로 탈이온수를 용매로 한 Triton X-100 용액(20 wt%) 4 g을 첨가하였다. 이 혼합물을 초음파기 및 분쇄기를 사용하여 균일하게 분산시켜 전극 형성용 조성물을 얻었다. 제1 지지막과 제2 지지막으로는 전사지(SKC사의 PET 필름인 Skyrol SM30(등록상표))를 사용하였다. 슬릿다이 코터(slit die coater)를 사용하여 연료극용 제1 지지막에 백금 촉매 기준으로 0.2 mg Pt/㎠로 상기 전극 형성용 조성물을 도포하였고, 공기극에 백금 촉매 기준으로 0.4 mg Pt/㎠로 동일한 전극 형성용 조성물을 제2 지지막에 도포하여, 제1, 제2 전사 필름을 각각 얻었다. 그리고 각 전사 필름을 건조 오븐에서 80℃에서 4분 동안 건조하였다.(G / eq) of 1000, an ionic conductivity of 0.09 S / cm and a water content of 25 wt% was added to a mixed solvent of 37 g of water and 19 g of 1-propanol in an amount of 10 g / 8.5 g of a 20 wt% solution (Dupont, Nafion Dispersion, DE 2020), 5 g of platinum-supported Ketjenblack (platinum 45 wt%) as a metal catalyst, and 5 g of a Triton X-100 solution %) Was added. This mixture was uniformly dispersed by using an ultrasonic wave and a pulverizer to obtain a composition for electrode formation. As the first supporting film and the second supporting film, a transfer paper (Skyrol SM30 (registered trademark), PET film made by SKC) was used. The composition for electrode formation was applied to the first support membrane for fuel electrode at a dose of 0.2 mg Pt / cm 2 on the basis of a platinum catalyst using a slit die coater, and the composition for electrode formation was applied to the air electrode at 0.4 mg Pt / The composition for electrode formation was applied to a second support film to obtain first and second transfer films, respectively. Each transfer film was then dried in a drying oven at 80 DEG C for 4 minutes.

전사 필름을 얻은 후, 고분자 전해질막인 NRE211(Dupont, 두께 25 ㎛)막의 연료극쪽 면에 30 ㎛ 두께의 ePTFE(스미토모사의 HP-010-30) 재질의 서브가스켓을 설치하였다. 이어서 이 서브가스켓이 지지된 전해질막 면에 120 kg중/cm2으로 2분 동안 제1 전사 필름을 열압착하여 전사하였다. 이어서 상기 전해질막의 공기극쪽 반대면에 50 ㎛ 두께의 ePTFE(스미토모사의 HP-010-50) 재질의 서브가스켓을 설치하였다. 이어서 상기 공기극쪽 면에 60 kg중/cm2으로 2분 동안 제2 전사 필름을 열압착하여 전사하였다. After the transfer film was obtained, a sub gasket made of ePTFE (HP-010-30 from Sumitomo Corporation) having a thickness of 30 탆 was provided on the side of the anode of the NRE 211 (Dupont, thickness 25 탆) film as the polymer electrolyte membrane. Subsequently, the first transfer film was thermally compressed and transferred to the electrolyte membrane surface supported with the sub gasket at a rate of 120 kg / cm 2 for 2 minutes. Next, a sub gasket made of ePTFE (HP-010-50 made by Sumitomo Corporation) having a thickness of 50 탆 was provided on the opposite surface of the electrolyte membrane on the air electrode side. Subsequently, the second transfer film was thermally compressed and transferred to the air electrode side at 60 kg / cm 2 for 2 minutes.

압착 전 각각 9 ㎛, 18 ㎛였던 연료극, 공기극의 두께는 압착 후 6 ㎛, 14 ㎛로 줄어들었다. 이 값에 따른 연료극과 공기극의 압축률은 각각 0.33과 0.22이고 압축률 비는 (4/18)÷(3/9)≒0.67이었다.The thicknesses of the anode and air electrode, which were 9 ㎛ and 18 ㎛ after squeezing, respectively, decreased to 6 ㎛ and 14 ㎛ after squeezing. Compression ratios of the anode and the air electrode according to this value were 0.33 and 0.22, respectively, and the compression ratio was (4/18) / (3/9)? 0.67.

[비교예 1][Comparative Example 1]

실시예 1과 동일한 전해질막의 연료극쪽 표면에 200 kg중/cm2으로 2분 동안 실시예 1과 동일한 제1 전사 필름을 열압착하여 전사하였고, 이 전해질막의 공기극쪽 반대면에 200 kg중/cm2으로 2분 동안 실시예 1과 동일한 제2 전사 필름을 열압착하여 전사시켰다. The same first transfer film as in Example 1 was thermally bonded and transferred to the surface of the electrolyte membrane of Example 1 at 200 kg / cm 2 for 2 minutes. On the opposite side of the electrolyte membrane to the air electrode side, 200 kg / cm 2 2 for 2 minutes, and the same second transfer film as in Example 1 was thermally compressed and transferred.

압착 전 각각 9 ㎛, 18 ㎛였던 연료극, 공기극의 두께는 압착 후 4.4 ㎛, 8.8 ㎛로 줄어들었다. 이 값에 따른 연료극과 공기극의 압축률은 동일하게 0.51로서 50%를 넘었고, 압축률 비는 1이었다.The thicknesses of the anode and air electrode, which were 9 ㎛ and 18 ㎛ after squeezing, respectively, decreased to 4.4 ㎛ and 8.8 ㎛ after squeezing. The compression ratio of the anode and the cathode according to this value was 0.51, which was more than 50%, and the compression ratio was 1.

[비교예 2][Comparative Example 2]

실시예 1과 동일한 전해질막의 연료극쪽 표면에 60 kg중/cm2으로 2분 동안 실시예 1과 동일한 제1 전사 필름을 열압착하여 전사한 후 이 전해질막의 공기극쪽 반대면에 60 kg중/cm2으로 2분 동안 실시예 1과 동일한 제2 전사 필름을 열압착하여 전사시켰다. The same first transfer film as in Example 1 was thermally compressed and transferred to the surface of the electrolyte membrane of Example 1 at 60 kg / cm 2 / cm 2 , and then transferred to a surface of the electrolyte membrane opposite to the air electrode at a rate of 60 kg / 2 for 2 minutes, and the same second transfer film as in Example 1 was thermally compressed and transferred.

압착 전 각각 9 ㎛, 18 ㎛였던 연료극, 공기극의 두께는 압착 후 7.2 ㎛, 14.4 ㎛로 줄어들었다. 이 값에 따른 연료극과 공기극의 압축률은 동일하게 0.2로서 50%에 못 미쳤지만, 압축률 비는 1이었다.The thickness of the anode and air electrode, which were 9 ㎛ and 18 ㎛ after squeezing, respectively, decreased to 7.2 ㎛ and 14.4 ㎛ after squeezing. The compression ratio of the anode and the cathode according to this value was 0.2, which was less than 50%, but the compression ratio was 1.

[비교예 3][Comparative Example 3]

실시예 1과 동일한 전해질막의 연료극쪽 표면에 200 kg중/cm2으로 2분 동안 실시예 1과 동일한 제1 전사 필름을 열압착하여 전사한 후 이 전해질막의 공기극쪽 반대면에 60 kg중/cm2으로 2분 동안 실시예 1과 동일한 제2 전사 필름을 열압착하여 전사시켰다.The same first transfer film as in Example 1 was thermally bonded and transferred at 200 kg / cm 2 on the surface of the electrolyte membrane of the same electrolyte membrane as that of Example 1 for 2 minutes, and 60 kg / cm 2 of the electrolyte membrane 2 for 2 minutes, and the same second transfer film as in Example 1 was thermally compressed and transferred.

압착 전 각각 9 ㎛, 18 ㎛였던 연료극, 공기극의 두께는 압착 후 4.3 ㎛, 13.3 ㎛로 줄어들었다. 이 값에 따른 연료극과 공기극의 압축률은 각각 0.52와 0.26으로서, 연료극 압축률이 50%를 넘었고, 압축률 비는 0.5이었다.The thicknesses of anode and cathode, which were 9 ㎛ and 18 ㎛, respectively, before compression, decreased to 4.3 ㎛ and 13.3 ㎛ after compression, respectively. Compression ratios of the anode and the cathode according to this value were 0.52 and 0.26, respectively, and the fuel electrode compression ratio exceeded 50% and the compression ratio was 0.5.

평가 방법Assessment Methods

상기 실시예 1 및 비교예 1, 2, 3에서 제조한 막-전극 접합체를 포함하는 단위 전지의 성능을 시험하기 위하여, 상기 제조한 막-전극 접합체의 양면 각각에 가스 확산층(SGL 10BC, 상용 GDL, SGL Carbon Group)을 인접하게 배치하여 단위 전지들을 조립하였다. 연료극 입구/셀/공기극 입구의 온도를 각각 65/65/65℃, 압력을 대기압과 압력 차이 0 psig로 유지하고 화학 당량 기준으로 수소:공기=1.5:2.0의 비율로 하여 단위 전지를 운전하였다.In order to test the performance of the unit cell including the membrane-electrode assembly manufactured in Example 1 and Comparative Examples 1, 2 and 3, a gas diffusion layer (SGL 10BC, commercial GDL , SGL Carbon Group) were disposed adjacent to each other to assemble the unit cells. The unit cell was operated at a ratio of hydrogen: air = 1.5: 2.0 on the basis of the chemical equivalent, while maintaining the temperature of the inlet of the anode / inlet of the anode / cathode at 65/65/65 ° C and the pressure of 0 psig.

내구성 가속 평가는 이렇게 하여 얻은 단위 전지를 OCV(60초)-0.6 V(60초)-0.4 V(60초)의 사이클로 120 시간 동안 연속적으로 반복하여 전류 밀도 및 OCV 전압의 변화를 실시간으로 감시하였다.The durability acceleration evaluation was performed by continuously repeating the unit cell thus obtained for 120 hours in a cycle of OCV (60 seconds) -0.6 V (60 seconds) -0.4 V (60 seconds) to monitor the change of the current density and the OCV voltage in real time .

표 1은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1, 2, 3에 따라 제조된 연료전지에 있어서, 전류 밀도 감소율, OCV 감소율을 정리한 표이다.Table 1 is a table summarizing the current density reduction rate and the OCV reduction rate in the fuel cell manufactured according to Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1, 2 and 3.

구분division 0.6 V에서의 전류 감소율(%)Current Decay Rate at 0.6 V (%) OCV 감소율(%)OCV reduction rate (%) 실시예1Example 1 -0.3 -0.3 -0.2 -0.2 비교예1Comparative Example 1 -8.2 -8.2 -1.4 -1.4 비교예2Comparative Example 2 -1.6 -1.6 -1.1 -1.1 비교예3Comparative Example 3 -4.0 -4.0 -0.8 -0.8

표 1의 데이터를 살펴 보면 본 발명에 따른 실시예 1의 전류와 OCV 유지 특성이 비교예 1 내지 3보다 각각 적어도 5배 이상, 적어도 4배 이상 우수하다는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명의 막-전극 접합체를 지니는 연료전지의 내구성을 입증한다.It can be seen from the data of Table 1 that the current and OCV holding characteristics of Example 1 according to the present invention are at least 5 times or more and at least 4 times better than Comparative Examples 1 to 3, respectively. This demonstrates the durability of the fuel cell having the membrane-electrode assembly of the present invention.

도 4는 실시예 1 및 비교예 1, 2, 3의 막-전극 접합체를 포함하는 단위 전지들을 전술한 조건으로 내구성 시험하여 측정한 전류 밀도를 나타낸 그래프이다. 도 4를 보면, 실시예 1과 비교예 2의 단위 전지는 비교예 1, 3의 경우에 비해 셀의 전류밀도의 특성이 일정하다는 사실을 알 수 있다.4 is a graph showing current densities measured by durability tests of the unit cells including the membrane-electrode assembly of Example 1 and Comparative Examples 1, 2 and 3 under the above-described conditions. Referring to FIG. 4, it can be seen that the characteristics of the current density of the cells in the unit cells of Example 1 and Comparative Example 2 are constant compared with those of Comparative Examples 1 and 3.

한편 실시예 1 및 비교예 1, 2, 3에 따른 단위 전지의 내구성 시험에서 OCV 전압을 측정한 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5를 보면, 실시예 1의 단위전지는 비교예 1, 2, 3의 경우에 비해 셀의 OCV 전압의 특성이 일정하다는 사실을 알 수 있다.FIG. 5 shows the OCV voltage measured in the durability test of the unit cell according to Example 1 and Comparative Examples 1, 2, and 3. Referring to FIG. 5, it can be seen that the OCV voltage characteristic of the cell of Example 1 is constant as compared with the cells of Comparative Examples 1, 2 and 3.

비교예 1은 너무 높은 두께 감소율로 인하여 전류 밀도 및 OCV 전압 모두 감소하는 경향을 보인다.Comparative Example 1 shows a tendency that both the current density and the OCV voltage are reduced due to a too high thickness reduction rate.

비교예 2는 전류 밀도 특성은 일정하지만 OCV 전압이 감소하는 경향을 보인다.In Comparative Example 2, although the current density characteristics are constant, the OCV voltage tends to decrease.

비교예 3은 전류 밀도 및 OCV 전압 감소율이 비교예 1보다 작지만 성능의 변동이 심하다.In Comparative Example 3, the current density and the OCV voltage reduction rate are smaller than those of Comparative Example 1, but the performance fluctuation is significant.

상기 도 3과 도 4의 그래프와 표 1의 데이터로부터 연료극 압착 촉매층의 압축률 50% 이하와 공기극의 연료극에 대한 압축률 비 0.4 이상 1 미만을 만족하는 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체를 이용하면 종래 기술의 연료전지보다 전압과 전류 밀도의 안정적인 유지가 가능하다는 점을 확인하였다. 반면에 공기극과 연료극 압착 촉매측을 같은 압축률로 하여 제조한 비교예 막-전극 접합체는 전압 사이클과 같은 열화 가속화 환경에서 OCV가 감소하는 막의 내구성 저하가 발생하였다.From the graphs of FIGS. 3 and 4 and the data of Table 1, it can be seen that using the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention satisfying a compression ratio of 50% or less of the anode electrode compression catalyst layer and a compression ratio of 0.4 to 1 It is possible to maintain the voltage and current density more stably than the fuel cell of the related art. On the other hand, in the comparative membrane-electrode assembly manufactured by using the air electrode and the fuel electrode squeeze catalyst side at the same compression ratio, durability of the membrane with decreasing OCV was lowered in a degradation accelerated environment such as a voltage cycle.

전술한 바와 같이 특정 내용과 일부 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 구체적인 예로써 제시한 설명일 뿐임을 밝혀 둔다. 본 발명은 전술한 실시 형태들로만 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 실시 형태에 대하여 다양한 수정 및 변형을 할 수 있고, 이러한 수정 및 변형도 본 발명의 기술 사상 속에서 망라하고 있다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to certain exemplary embodiments thereof, it should be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. .

따라서 앞에서 설명한 실시 형태들과 후술하는 특허 청구의 범위는 물론, 이 특허 청구 범위의 모든 균등물이나 등가인 변경 실시 형태들도 본 발명 기술 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, it is to be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments and the appended claims, and all equivalents and equivalent modifications of the claims are also within the scope of the present invention.

10, 100: 막-전극 접합체 11, 101: 고분자 전해질 막
12, 12', 102, 102': 전극 촉매층 103, 103' 압착된 연료극 및 공기극
200, 200' 전사 필름의 지지막 300, 300' 서브가스켓
10, 100: membrane-electrode assembly 11, 101: polymer electrolyte membrane
12, 12 ', 102, 102': electrode catalyst layers 103 and 103 '
200, 200 'Support film of transfer film 300, 300' Sub gasket

Claims (17)

전해질막;
상기 전해질막을 사이에 두고 서로 마주보는 압착 촉매층의 연료극;과 압착 촉매층의 공기극을 포함하는 막-전극 접합체로서,
상기 양 압착 촉매층은 서로 같거나 다를 수 있는 이온 전도성 물질과 금속 촉매를 각각 함유하며,
상기 연료극 압착 촉매층의 두께 방향의 압축률 Rano와 상기 공기극 압착 촉매층의 두께 방향의 압축률 Rcat가 다음 수치 한정 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체:
0 < Rano ≤ 0.5, 0 < Rcat < Rano이고,
Figure 112012038777964-pat00012
이다.
An electrolyte membrane;
A membrane electrode assembly comprising a fuel electrode of a squeeze catalyst layer facing each other with the electrolyte membrane interposed therebetween and a cathode of a sintered catalyst layer,
Wherein the both-squeeze catalyst layer contains an ion conductive material and a metal catalyst which may be the same or different from each other,
Wherein the compression ratio R ano in the thickness direction of the fuel electrode compression catalyst layer and the compression ratio R cat in the thickness direction of the air electrode compression catalyst layer satisfy the following numerical limitations:
And 0 <R ano ≤ 0.5, 0 <R cat <R ano,
Figure 112012038777964-pat00012
to be.
제1항에 있어서, 상기 수치 한정 조건은 다음 조건을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체:
Figure 112011062048567-pat00013
The membrane-electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the numerical value limiting condition further includes the following conditions:
Figure 112011062048567-pat00013
제1항에 있어서, 상기 연료극과 공기극의 압착 촉매층은 동일한 이온 전도성 물질과 동일한 금속 촉매를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The membrane-electrode assembly for a fuel cell as claimed in claim 1, wherein the compression catalyst layer of the fuel electrode and the air electrode uses the same metal catalyst as the same ion conductive material. 제3항에 있어서, 상기 연료극과 공기극의 압착 촉매층은 화학적 조성이 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.4. The membrane-electrode assembly for a fuel cell according to claim 3, wherein the fuel electrode and the compressed catalyst layer of the air electrode have the same chemical composition. 제4항에 있어서, 상기 공기극 압착 촉매층 밀도를 상기 연료극 압착 촉매층의 밀도로 나눈 비는 0.4 이상 1 미만인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.5. The membrane-electrode assembly for a fuel cell according to claim 4, wherein a ratio of the density of the air electrode compression catalyst layer divided by the density of the fuel electrode compression catalyst layer is 0.4 or more and less than 1. 제1항에 있어서, 상기 연료극과 공기극의 이온 전도성 물질은 각각 독립적으로, 과불소화 술폰산기 함유 고분자, 퍼플루오로계 양성자 전도성 고분자, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술폰화 폴리(에테르-케톤)계 고분자, 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리술폰계 고분자 및 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합체(clay-sulfonated polysulfone nanocomposite) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The method according to claim 1, wherein the ion conductive material of the fuel electrode and the air electrode is selected from the group consisting of a perfluoro sulfonic acid group-containing polymer, a perfluoro proton conducting polymer, a sulfonated polysulfone copolymer, a sulfonated poly (ether- Wherein the polymer is selected from the group consisting of a polymer, a sulfonated polyether ether ketone polymer, a polyimide polymer, a polystyrene polymer, a polysulfone polymer, and a clay-sulfonated polysulfone nanocomposite and a mixture thereof Wherein the membrane-electrode assembly is a membrane-electrode assembly for a fuel cell. 제1항에 있어서, 상기 금속 촉매는 금속 입자이거나 금속 입자가 담지된 탄소계 담체인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The membrane-electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the metal catalyst is a metal-based or metal-supported carbon-based support. 제1항에 있어서, 상기 연료극에서 이온 전도성 물질이 차지하는 함량은 연료극 전체 중량을 기준으로 25 중량% 이상, 35 중량% 이하이며, 상기 공기극에서 이온 전도성 물질이 차지하는 함량은 상기 연료극내 이온 전도성 물질의 함량보다 낮되, 공기극 전체 중량을 기준으로 20 중량% 이상, 33 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The fuel cell according to claim 1, wherein the content of the ion conductive material in the anode is 25 wt% or more and 35 wt% or less based on the total weight of the anode, and the content of the ion conductive material in the anode is Based on the total weight of the air electrode, and is 20 wt% or more and 33 wt% or less based on the total weight of the air electrode. 제7항에 있어서, 상기 금속 촉매는 금속 입자가 담지된 탄소계 담체이고, 상기 금속 입자가 담지된 탄소계 담체에서 금속 입자가 차지하는 비중은 전체 중량 기준으로 30 중량%에서 70 중량%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.[Claim 7] The method according to claim 7, wherein the metal catalyst is a carbon-based carrier on which the metal particles are supported, and the specific gravity of the metal particles in the carbon-based carrier is 30 wt% to 70 wt% Wherein the membrane-electrode assembly is a membrane-electrode assembly for a fuel cell. 제1항에 있어서, 상기 연료극의 함수율은 상기 공기극의 함수율보다 높은 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The membrane-electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the moisture content of the fuel electrode is higher than that of the air electrode. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지.11. A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly of any one of claims 1 to 10. (a) 제1 지지막 상에 제1 이온 전도성 물질, 제1 금속 촉매 및 선택적으로 제1용매를 포함하는 연료극 촉매층이 형성된 연료극 전사 필름을 제조하고, 제2 지지막 상에 제2 이온 전도성 물질, 제2 금속 촉매 및 선택적으로 제2 용매를 포함하는 공기극 촉매층이 형성된 공기극 전사 필름을 제조하는 단계;
(b) 상기 연료극 전사 필름을 고분자 전해질막의 한쪽 면에 압착하되, 상기 (a) 단계에서 얻은 연료극 촉매층의 두께 방향의 압축률 Rano가 관계식
Figure 112011062048567-pat00014
를 만족하도록 압착하는 연료극 전사 단계;
(c) 상기 공기극 전사 필름을 상기 고분자 전해질막의 반대면에 압착하되, 상기 (a) 단계에서 얻은 공기극 촉매층의 두께 방향의 압축률 Rcat가 관계식
Figure 112011062048567-pat00015
Figure 112011062048567-pat00016
를 만족하도록 압착하는 공기극 전사 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조 방법.
(a) preparing a fuel electrode transfer film on which a fuel electrode catalyst layer comprising a first ion conductive material, a first metal catalyst and optionally a first solvent is formed on a first support film, and a second ion conductive material Preparing a cathode electrode transfer film on which a cathode catalyst layer comprising a second metal catalyst and optionally a second solvent is formed;
(b) compressing the anode electrode transfer film on one side of the polymer electrolyte membrane, wherein the compression ratio R ano in the thickness direction of the anode catalyst layer obtained in the step (a)
Figure 112011062048567-pat00014
So as to satisfy the following equation:
(c) The synthesis of the cathode pressed against the transfer film opposite the polymer electrolyte membrane side, wherein (a) the compression ratio R cat in the thickness direction of the cathode catalyst layer obtained in step relation
Figure 112011062048567-pat00015
Wow
Figure 112011062048567-pat00016
Wherein the step (c) comprises the steps of:
제12항에 있어서, 상기 (b)와 (c) 단계의 압착 온도는 80℃ 내지 140℃이고, 상기 (b) 단계의 압착 압력은 30 kg중/cm2 이상, 270 kg중/cm2 이하이고, 상기 (c) 단계의 압착 압력은 상기 (b) 단계의 압착 압력보다 낮되, 1 kg중/cm2 이상, 120 kg중/cm2 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조 방법.13. The method of claim 12, wherein (b) and (c) compression bonding temperature of the step is 80 ℃ to 140 ℃, contact pressure of the step (b) is 30 kg of / cm 2 Or more, of 270 kg / cm 2 or less, and the contact pressure of the step (c) is natdoe, of 1 kg / cm 2 than the contact pressure of the step (b) Or more and 120 kg / cm &lt; 2 &gt; or less, based on the total mass of the membrane-electrode assembly. 제12항에 있어서, 상기 (b) 단계는 상기 고분자 전해질막에서 상기 연료극 전사 필름과 동일한 면에 상기 연료극 전사 필름보다 두꺼운 연료극 서브가스켓을 설치하여 압착하고, 상기 (c) 단계는 상기 고분자 전해질막에서 상기 공기극 전사 필름과 동일한 면에 상기 공기극 전사 필름보다 두꺼운 공기극 서브가스켓을 설치하여 압착하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조 방법.[12] The method of claim 12, wherein the step (b) comprises: providing a fuel electrode sub gasket thicker than the anode electrode transfer film on the same surface as the anode electrode transfer film in the polymer electrolyte membrane, Wherein a gas electrode sub gasket having a thickness larger than that of the air electrode transfer film is provided on the same surface as the air electrode transfer film and is compressed. 제14항에 있어서, 상기 연료극 서브가스켓은 상기 공기극 서브가스켓보다 얇은 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조 방법.15. The method according to claim 14, wherein the fuel electrode sub gasket is thinner than the air electrode sub gasket. 제12항에 있어서, 상기 (b) 단계 또는 (c) 단계의 전사는 단계는 열압착 방법 또는 롤투롤(roll-to-roll) 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조 방법.13. The membrane-electrode assembly for a fuel cell according to claim 12, wherein the step (b) or the step (c) is carried out by a thermocompression bonding method or a roll-to-roll method. Way. 제12항에 있어서, 상기 연료극과 공기극이 전사된 고분자 전해질막으로부터 제1 지지막과 제2 지지막을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조 방법.13. The method of claim 12, further comprising removing a first support film and a second support film from the polymer electrolyte membrane onto which the fuel electrode and the air electrode are transferred.
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