KR20060019844A - A membrane electrode assembly for fuel cell and a fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 상기 막/전극 접합체는 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극; 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 고분자 전해질막은 미세 기공이 형성된 다공성의 유리질을 포함한다.The present invention relates to a fuel cell membrane / electrode assembly and a fuel cell including the same, wherein the membrane / electrode assembly comprises: an anode and a cathode electrode disposed to face each other; And a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode, wherein the polymer electrolyte membrane includes a porous glass material in which fine pores are formed.

본 발명은 연료전지용 막/전극 접합체의 고분자 전해질막으로서 미세기공이 형성된 유리질을 사용함으로써, 별도의 가습장치를 필요로 하지 않아 비용절감 및 공간절약 효과가 있고 미세기공을 통해 수소이온은 통과시키면서 연료는 통과시키지 않아 연료의 종류에 상관없이 사용하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, since the glass membrane having micropores is formed as the polymer electrolyte membrane of the fuel cell membrane / electrode assembly, there is no need for a separate humidifying device, thereby reducing the cost and space saving effect, while passing hydrogen ions through the micropores. Since it does not pass through and is used regardless of the type of fuel, there is an effect that can improve the efficiency of the fuel cell.

연료전지, 고분자 전해질막, 유리질Fuel Cell, Polymer Electrolyte Membrane, Glass

Description

연료전지용 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지{A MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND A FUEL CELL COMPRISING THE SAME}Membrane / electrode assembly for fuel cell and fuel cell comprising same {A MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND A FUEL CELL COMPRISING THE SAME}

도 1은 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지의 작동상태를 개략적으로 보인 단면이다.1 is a cross-sectional view schematically showing an operating state of a fuel cell including a polymer electrolyte membrane.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1: 연료전지 10a: 연료극 촉매층(애노드)1: fuel cell 10a: anode catalyst layer (anode)

10b: 공기극 촉매층(캐소드) 15: 고분자 전해질막10b: cathode catalyst layer (cathode) 15: polymer electrolyte membrane

20: 막/전극 접합체20: membrane / electrode assembly

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료전지용 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다공성의 유리질(glass)을 고분자 전해질막으로 사용하여 수소이온은 통과시키면서 연료는 통과되지 않는 연료전지용 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell membrane / electrode assembly and a fuel cell including the same, and more particularly, a fuel cell membrane / which does not pass fuel while passing hydrogen ions using porous glass as a polymer electrolyte membrane. It relates to an electrode assembly and a fuel cell comprising the same.

[종래 기술] [Prior art]                         

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.

연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염형 연료 전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질령 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.Fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte batteries, or alkaline fuel cells according to the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮고, 아울러 빠른 시동 및 응압특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용(transportable) 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs), which are being developed recently, have much higher output characteristics, lower operating temperatures, faster start-up and pressure characteristics than other fuel cells, As well as transportable power supply, there is a wide range of applications such as distributed power supply such as homes, public buildings and small power supply such as for electronic devices.

상기와 같은 고분자 전해질형 연료전지는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해, 스택(stack), 개질기(reformer), 연료탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료전지의 본체를 형성하며, 연료펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소기체를 발생시키고 그 수소 기체를 스택으로 공급한다. 따라서, 상기 고분자 전해질형 연료전지는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소기체를 발생시키며, 스택에서 이 수소 기체와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.The polymer electrolyte fuel cell as described above basically includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to construct a system. The stack forms the body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. The reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the hydrogen gas to the stack. Accordingly, the polymer electrolyte fuel cell supplies fuel in a fuel tank to a reformer by operation of a fuel pump, reforms the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacts the hydrogen gas and oxygen in a stack. Generates electrical energy.

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.On the other hand, the fuel cell may employ a direct methanol fuel cell (DMFC) method that can supply a liquid methanol fuel directly to the stack. Such a direct methanol fuel cell fuel cell, unlike the polymer electrolyte fuel cell, the reformer is excluded.

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 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.In such a fuel cell system, a stack that substantially generates electricity is composed of a number of unit cells consisting of a membrane / electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a stacked structure of several tens. The membrane / electrode assembly has a structure in which an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") are attached with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. Have

도 1은 연료전지(1)의 작동상태를 개략적으로 보인 도면이다. 연료전지에서막/전극 접합체(20)은 연료극 촉매층(10a), 공기극 촉매층(10b), 및 고분자 전해질 막(15)을 포함한다. 도 1을 참조하여 설명하면, 수소 기체 또는 연료가 상기 연료극 촉매층(10a)에 공급되면 전기화학적 산화반응이 일어나면서 수소이온 H+와 전자 e-로 이온화되면서 산화된다. 이온화된 수소이온은 고분자 전해질 막(15)을 통하여 공기극 촉매층(10b)로 이동하고 전자는 연료극 촉매층(10a)를 통해 이동하게 된다. 공기극 촉매층(10b)로 이동한 수소이온은 공기극 촉매층(10b)로 공급되는 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시키고 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 이러한 전기화학적 반응은 하기 반응식으로 나타낼 수 있다.1 is a view schematically showing an operating state of the fuel cell 1. In the fuel cell, the membrane / electrode assembly 20 includes a cathode catalyst layer 10a, a cathode catalyst layer 10b, and a polymer electrolyte membrane 15. Referring to FIG. 1, when hydrogen gas or fuel is supplied to the anode catalyst layer 10a, an electrochemical oxidation reaction occurs and ionizes to hydrogen ions H + and electrons e . The ionized hydrogen ions move to the cathode catalyst layer 10b through the polymer electrolyte membrane 15 and electrons move through the anode catalyst layer 10a. Hydrogen ions transferred to the cathode catalyst layer 10b cause an electrochemical reduction reaction with oxygen supplied to the cathode catalyst layer 10b to generate heat of reaction and water, and electrical energy is generated by the movement of electrons. This electrochemical reaction can be represented by the following scheme.

[반응식 1]Scheme 1

애노드 전극: H2 → 2H+ + 2e- The anode: H 2 → 2H + + 2e -

캐소드 전극: 2H+ + 1/2 O2 + 2e- → H2O Cathode: 2H + + 1/2 O 2 + 2e - → H 2 O

상기 고분자막/전극 접합체는 고분자 전해질막(solid polymer electrolyte membrane)과 탄소담지 촉매전극층(carbon supported catalysts electrode layer)으로 구성된다. 이때, 전해질의 역할을 하는 고분자 전해질막으로는 나피온(Nafion, DuPont사 제조의 상품명), 프레미온(Flemion, Asahi Glass사 제조의 상품명), 아시프렉스(Asiplex, Asahi Chemical사 제조의 상품명) 및 다우 XUS(Dow XUS, Dow Chemical사 제조의 상품명) 전해질막과 같은 퍼플루오로설포네이트 아이오노머막(perfluorosulfonate ionomer membrane)이 많이 사용되고 있으며, 탄소담지 촉매전극층은 다공성의 탄소 페이퍼 (carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 등의 전극 지지체에 백금(Pt) 또는 루테늄(Ru) 등의 미세한 촉매입자를 담지시킨 탄소분말을 방수성 결합제로 결합시켜서 사용하고 있다.The polymer membrane / electrode assembly is composed of a solid polymer electrolyte membrane and a carbon supported catalysts electrode layer. At this time, the polymer electrolyte membrane serving as an electrolyte may include Nafion (Nafion, a brand name of DuPont), Premion (Flemion, a brand name of Asahi Glass), Asifrex (Asiplex, a brand name of Asahi Chemical), and A perfluorosulfonate ionomer membrane such as Dow XUS (Dow XUS, Dow Chemical Co., Ltd.) electrolyte membrane is widely used, and the carbon-supported catalyst electrode layer is made of porous carbon paper or carbon. A carbon powder, in which fine catalyst particles such as platinum (Pt) or ruthenium (Ru), are supported on an electrode support such as carbon cloth, is used by bonding a waterproof binder.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명의 목적은 고분자 전해질막의 재료로서 다공성의 유리질을 사용함으로써, 별도의 가습장치 설치가 필요 하지 않으며 메탄올의 크로스-오버 문제 등을 해결하여 연료의 종류에 상관없이 연료전지의 효율이 우수한 연료전지용 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하기 위한 것이다.In order to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to use a porous glass material as the material of the polymer electrolyte membrane, it is not necessary to install a separate humidifier, and solve the cross-over problem of methanol, etc. Irrespective of the present invention, there is provided a fuel cell membrane / electrode assembly having excellent fuel cell efficiency and a fuel cell including the same.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극; 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 고분자 전해질막은 미세 기공이 형성된 다공성의 유리질을 포함하는 것인 연료전지용 막/전극 접합체를 제공한다.The present invention provides an anode and a cathode electrode facing each other to achieve the above object; And a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode, wherein the polymer electrolyte membrane includes a porous glassy material having fine pores.

또한, 본 발명은 금속촉매, 바인더 및 용매를 포함하는 촉매 슬러리를 탄소 지지체인 기체확산층의 일면에 코팅하여 촉매전극을 제조하는 단계; 졸겔법으로 가공하여 미세기공이 형성된 유리질을 제조하는 단계; 및 상기 촉매전극을 애노드 전극과 캐소드 전극으로 하고 그 사이에 상기 미세기공이 형성된 유리질을 위치시킨 후 열간압연하여 접합하는 단계를 포함하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of coating a catalyst slurry comprising a metal catalyst, a binder and a solvent on one surface of the gas diffusion layer is a carbon support to prepare a catalyst electrode; Processed by the sol-gel method to prepare a glass with micropores formed; And placing the catalyst electrode as an anode electrode and a cathode electrode, and placing the glass material having the micropores therebetween, followed by hot rolling to bond the catalyst electrode to the catalyst electrode.

본 발명은 또한, 상기 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체를 협지하는 바이폴러 플레이트를 포함하는 연료전지를 제공한다.The present invention also provides a membrane / electrode assembly; And a bipolar plate sandwiching the membrane / electrode assembly.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

종래 고분자 전해질막은 주로 퍼플루오로계 고분자인 나피온으로 형성하였으나, 상기 나피온과 같은 고분자 막은 -SO3H에 물분자가 함습되어야 H+의 이동도가 생긴다. 따라서, 종래 막/전극 접합체의 제조방법은 상기 나피온막을 애노드와 캐소드 사이에 위치시키고 이들을 열로 접착시킨 후 가습기로 전극판에 수분을 공급함으로써, 고분자막에 수분이 함습되게 하는 방법을 사용하였다. 그러나, 상기에서는 고분자 전해질막을 가습시키기 위해서, 가습장치를 별도로 설치해야 한다. 또한, 상기 퍼플루오로계 고분자는 120 ℃ 이상의 온도에서는 사용할 수 없을 뿐 아니라, 고가이며, 또한 상기한 이유로 반드시 가습장치를 설치하여 가습조건을 맞추어야 하는 문제점이 있었다.Conventional polymer electrolyte membranes are mainly formed of Nafion, which is a perfluoro-based polymer, but polymer membranes such as Nafion generate H + mobility when water molecules are moistened with -SO 3 H. Therefore, the conventional method of manufacturing the membrane / electrode assembly used a method of placing the Nafion membrane between the anode and the cathode, bonding them with heat, and then supplying moisture to the electrode plate with a humidifier to moisturize the polymer membrane. However, in the above, in order to humidify the polymer electrolyte membrane, a humidifier must be provided separately. In addition, the perfluoro-based polymer may not be used at a temperature of 120 ° C. or higher, and is expensive, and there is a problem in that a humidification apparatus must be installed to meet humidification conditions for the above reason.

최근에는, 방향족 열경화성 고분자를 연료전지용 고분자 전해질막으로 사용하려는 연구가 시도되었으나, 연료로 메탄올을 사용하는 경우에는 여전히 메탄올의 크로스-오버(cross-over) 문제를 근본적으로 해결하지 못하고 연료전지의 출력도 떨어지는 문제가 있다.Recently, research has been made to use an aromatic thermosetting polymer as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. However, when methanol is used as a fuel, the cross-over problem of methanol is still not solved. There is a problem falling.

본 발명은 연료전지용 막/전극 접합체의 고분자 전해질막으로서 유리질을 사용하여, 종래와 같이 별도의 가습장치를 통해 고분자를 가습시키지 않아도 된다.According to the present invention, glass is used as the polymer electrolyte membrane of the fuel cell membrane / electrode assembly, so that the polymer does not need to be humidified through a separate humidifier as in the prior art.

또한, 본 발명에 따르면 유리질에 미세기공이 형성되어 있어 막/전극 접합체에서 발생된 수소이온은 통과시키고, 메탄올과 같은 연료를 사용하여도 통과되지 않아 효과적이다. 따라서, 본 발명의 고분자 전해질막은 연료의 종류에 크게 한정되지 않고 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 미세기공이 형성된 유리질을 포함하는 고분자 전해질막은 종래 고분자로 형성된 경우보다 기계적 물성이 우수하고 120 ℃ 이상의 온도에서도 사용할 수 있다.In addition, according to the present invention, micropores are formed in the glass, so that hydrogen ions generated in the membrane / electrode assembly pass through and are not passed through even when a fuel such as methanol is used. Therefore, the polymer electrolyte membrane of the present invention can be used without being limited to a kind of fuel. In addition, the polymer electrolyte membrane including the glassy microporous formed of the present invention is excellent in mechanical properties than when formed of a conventional polymer and can be used at a temperature of 120 ℃ or more.

본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막에 있어서, 미세 기공이 형성된 다공 성의 유리질은 10 내지 100 중량%로 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에서는 유리질 단독으로 사용할 수 있고, 이온성 폴리머와 혼합(composite)하여 사용할 수도 있다.In the polymer electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention, the porous glass material in which the fine pores are formed is preferably contained in an amount of 10 to 100% by weight. That is, in the present invention, the glass may be used alone, or may be used by mixing with an ionic polymer.

상기 미세기공이 형성된 다공성의 유리질은 무기산화물로서 실리카를 70% 정도 포함할 수 있다. 상기 다공성 유리질의 예를 들면, 소다라임 실리카(soda lime silica), 산화납이 첨가된 납유리(leas glass), 붕소실리케이트 유리(boron silicate glass) 및 유리질 입자의 변질로 생성된 점토광물인 벤토나이트 등이 있다.The porous glass material in which the micropores are formed may include about 70% of silica as an inorganic oxide. Examples of the porous glassy material include soda lime silica, lead oxide-lead glass, boron silicate glass, and bentonite, which is a clay mineral produced by deterioration of glass particles. have.

또한, 상기 미세기공이 형성된 다공성의 유리질은 0.1 내지 40 부피%의 기공도를 가지는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10 내지 40 부피%이다.In addition, it is preferable that the porous glass material in which the micropores are formed has a porosity of 0.1 to 40% by volume, more preferably 10 to 40% by volume.

상기 미세기공이 형성된 유리질의 미세기공 크기는 0.01 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다. 이때, 상기 유리질의 미세기공 크기가 0.01 ㎛미만이면 수소 전도도가 떨어지는 문제가 있고, 100 ㎛를 초과하면 기계적 강도가 떨어지는 문제가 있다.It is preferable that the micropore size of the glassy microporous formed is 0.01 to 100 ㎛. In this case, when the glass micropore size is less than 0.01 μm, there is a problem in that the hydrogen conductivity is lowered.

상기 연료전지용 고분자 전해질막으로 사용되는 유리질을 제조방법은, 특별히 한정되지는 않으며, 바람직하게 졸겔법으로 가공하여 미세기공을 형성함으로써 이루어질 수 있다.The manufacturing method of the glass material used as the polymer electrolyte membrane for the fuel cell is not particularly limited, and may be preferably formed by processing the sol-gel method to form micropores.

상기에서 제조된 본 발명의 고분자 전해질막은 1 내지 100 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.It is preferable that the polymer electrolyte membrane prepared above has a thickness of 1 to 100 μm.

또한, 본 발명은 상기에서 제조된 고분자 전해질막을 이용하여 통상의 방법 으로 막/전극 접합체를 제조할 수 있다. 바람직한 일례로, 금속촉매, 바인더 및 용매를 포함하는 촉매 슬러리를 탄소 지지체인 기체확산층의 일면에 코팅하여 촉매전극을 제조하고, 졸겔법으로 미세기공이 형성된 유리질을 제조한 후, 상기 촉매전극을 애노드 전극과 캐소드 전극으로 하고 그 사이에 상기 미세기공이 형성된 유리질을 위치시키고 열간압연하여 접합함으로써, 막/전극 접합체를 제조할 수 있다.In addition, the present invention can be prepared a membrane / electrode assembly by a conventional method using the polymer electrolyte membrane prepared above. In a preferred embodiment, a catalyst slurry comprising a metal catalyst, a binder, and a solvent is coated on one surface of a gas diffusion layer serving as a carbon support to prepare a catalyst electrode, and after preparing a glass material in which micropores are formed by a sol-gel method, the catalyst electrode is an anode. A membrane / electrode assembly can be prepared by placing an electrode and a cathode on the glass substrate in which the micropores are formed, and hot-rolling them together.

따라서, 상기 막/전극 접합체는 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극; 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 본 발명의 다공성 유리질을 고분자 전해질막으로 포함한다.Thus, the membrane / electrode assembly comprises an anode and a cathode electrode located opposite each other; And a porous glass material of the present invention located between the anode and the cathode as a polymer electrolyte membrane.

상기에서 애노드 및 캐소드는 촉매층의 역할을 하는 것으로서, 금속촉매, 바인더 및 분산매인 용매를 혼합하여 촉매슬러리를 제조하고, 이를 탄소지지체의 일면에 코팅하고 건조하여 제조할 수 있다.As the anode and the cathode serves as a catalyst layer, a catalyst slurry may be prepared by mixing a metal catalyst, a binder, and a solvent, which is a dispersion medium, and may be manufactured by coating and drying it on one surface of a carbon support.

상기 촉매층은 관련 반응(수소의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 포함하는 것으로서, 원소 주기율표의 백금족 금속, 예들 들면 Pt 또는 Ru 등이나 Fe나 Co 같은 전이금속 등이 사용될 수 있다. 또한 일반적으로 담체에 지지된 것이 사용된다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해 될 수 있는 내용이다. 본 발명에서 사용되는 금속촉매는 바람직하게는 Pt/C, Pt/Ru, 및 Pt/Fe/Co로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 좋다.The catalyst layer includes a so-called metal catalyst that catalyzes the related reactions (oxidation of hydrogen and reduction of oxygen), and platinum group metals of the periodic table of elements, for example, Pt or Ru, transition metals such as Fe or Co, etc. may be used. Can be. Also generally, those supported on a carrier are used. As the carrier, carbon such as acetylene black or graphite may be used, or inorganic fine particles such as alumina or silica may be used. In the case of using the noble metal supported on the carrier as a catalyst, a commercially available commercially available product may be used, or the noble metal supported on the carrier may be prepared and used. Since the process of supporting the precious metal on the carrier is well known in the art, even if detailed description thereof is omitted, it is easily understood by those skilled in the art. The metal catalyst used in the present invention is preferably selected from the group consisting of Pt / C, Pt / Ru, and Pt / Fe / Co.

상기 분산매로 사용되는 용매는 알코올, 알코올계, 에테르계, 에스터계, 아미드계 용매 등 바람직하게 사용될 수 있으며, 이들의 구체적인 예로는 이소프로필 알코올, 부탄올, 디메틸케톤 등을 들 수 있다.The solvent used as the dispersion medium may be preferably an alcohol, alcohol, ether, ester, amide solvent, and the like, and specific examples thereof include isopropyl alcohol, butanol, dimethyl ketone, and the like.

또한, 본 발명에서는 상기 바인더는 불소계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 케톤계 고분자, 폴리에테르계 고분자, 폴리에스터계 고분자, 폴리아미드계 고분자, 폴리이미드계 고분자 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the binder may be a fluorine-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a ketone-based polymer, a polyether-based polymer, a polyester-based polymer, a polyamide-based polymer, a polyimide-based polymer, and the like. no.

상기 탄소지지체는 기체확산층의 역할을 하는 것으로서, 탄소 페이퍼나 탄소 천이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 기체 확산층은 연료 전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 반응 가스를 확산시켜 촉매층으로 반응 기체가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 또한 이 기체 확산층은 탄소 페이퍼나 탄소 천을 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.As the carbon support serves as a gas diffusion layer, carbon paper or carbon cloth may be used, but is not limited thereto. The gas diffusion layer serves to support the fuel cell electrode and diffuses the reaction gas into the catalyst layer so that the reaction gas can be easily accessed to the catalyst layer. In addition, it is preferable to use a water repellent treatment of carbon paper or carbon cloth with a fluorine-based resin such as polytetrafluoroethylene as the gas diffusion layer to prevent the gas diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. Do.

상기 제조된 막/전극 접합체는 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 바이폴러 플레이트 사이에 삽입하여 단위 전지를 제조하고 이를 적층하여 스택을 제조한 후, 이를 두개의 엔드 플레이트 사이에 삽입하여 연료전지를 제조할 수 있다. 연료전지는 이 분야의 통상의 기술에 의하여 모두 제조될 수 있다. 본 발명의 막/전극 접합체는 저온가습형, 저온무가습형, 및 고온무가습형 전지에 모두 적용될 수 있다. The prepared membrane / electrode assembly is inserted between a gas flow channel and a bipolar plate having a cooling channel to manufacture a unit cell, and a stack is manufactured by stacking the same. can do. Fuel cells can all be manufactured by conventional techniques in the art. The membrane / electrode assembly of the present invention can be applied to both low temperature humidification type, low temperature no humidification type, and high temperature no humidification type batteries.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예)(Example)

졸겔법으로 제조한 미세기공크기가 0.1 ㎛이고 기공도가 10 부피%인 유리질을 40 ㎛ 두께로 형성하여, 연료전지용 고분자 전해질막으로 사용하였다.A glass substrate having a micropore size of 0.1 μm and a porosity of 10 vol% was formed to a thickness of 40 μm by the sol-gel method and used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

그런 다음, 상기에서 제조된 고분자 전해질막의 양면에 백금이 증착된 탄소 페이퍼를 적층한 후 가압하여 막/전극 접합체를 제조하였다.Then, after stacking the carbon paper on which platinum is deposited on both surfaces of the polymer electrolyte membrane prepared above, and pressurized to prepare a membrane / electrode assembly.

상기 제조된 막/전극 접합체를 두장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴러 플레이트에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.The prepared membrane / electrode assembly is inserted between two gaskets, and then inserted into two bipolar plates in which a gas channel channel and a cooling channel of a predetermined shape are formed, and then compressed into a copper end plate. The battery was prepared.

(비교예)(Comparative Example)

40 ㎛의 두께를 가지는 폴리(퍼플루오로술폰산) 전해질막(NafionTM, DuPont)을 연료전지용 고분자 전해질막으로 사용하였다.A poly (perfluorosulfonic acid) electrolyte membrane (Nafion , DuPont) having a thickness of 40 μm was used as the polymer electrolyte membrane for fuel cells.

그런 다음, 상기에서 제조된 고분자 전해질막의 양면에 백금이 증착된 탄소 페이퍼를 적층한 후 가압하여 막/전극 접합체를 제조하였다. 이때, 가습상태를 유지하기 위하여, 상기 막/전극 접합체에 가습기를 연결설치하였다.Then, after stacking the carbon paper on which platinum is deposited on both surfaces of the polymer electrolyte membrane prepared above, and pressurized to prepare a membrane / electrode assembly. At this time, in order to maintain a humid state, a humidifier was connected to the membrane / electrode assembly.

상기 제조된 막/전극 접합체를 두장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일 정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴러 플레이트에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.The prepared membrane / electrode assembly is inserted between two gaskets, and then inserted into two bipolar plates in which a predetermined gas flow channel and a cooling channel are formed, and then compressed into a copper end plate. The battery was prepared.

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 단위 전지에 대하여, 연료로서 수소를 공급하고 80 ℃의 온도에서 10 시간 동안 운전한 결과를 표 1에 나타내었다.Table 1 shows the results of operating hydrogen for 10 hours at a temperature of 80 ° C. for the unit cells prepared in Examples and Comparative Examples.

전압(Voltage)Voltage 전류밀도(A/㎠)Current density (A / ㎠) 실시예Example 비교예Comparative example 00 0.930.93 0.910.91 0.20.2 0.870.87 0.820.82 0.60.6 0.540.54 0.510.51 0.80.8 0.430.43 0.420.42 1One 0.340.34 0.310.31

상기 표 1에서 보면, 본 발명의 실시예의 경우는 성능도 우수하고, 연료의 크로스-오버 문제가 없었으나, 비교예의 경우 연료가 크로스-오버되고 성능도 떨어지는 문제가 있었다.In Table 1, the embodiment of the present invention is also excellent in performance, there is no fuel cross-over problem, in the case of the comparative example there is a problem that the fuel cross-over and the performance is also poor.

본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막은 미세기공이 형성된 유리질을 사용함으로써, 별도의 가습장치를 필요로 하지 않으며 연료는 통과되지 않아 연료의 크로스-오버 문제를 해결하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다.The polymer electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention uses glass with fine pores, and thus does not require a separate humidifying device and the fuel does not pass, thereby solving the fuel cross-over problem and improving the efficiency of the fuel cell.

Claims (9)

서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극; 및Anode and cathode electrodes positioned opposite one another; And 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하고,It includes a polymer electrolyte membrane located between the anode and the cathode, 상기 고분자 전해질막은 미세 기공이 형성된 유리질을 포함하는 것인 연료전지용 막/전극 접합체.Wherein the polymer electrolyte membrane is a fuel cell membrane / electrode assembly comprising a fine glass pores formed. 제 1항에 있어서, 상기 미세 기공이 형성된 유리질의 함량은 10 내지 100 중량%로 포함하는 연료전지용 막/전극 접합체.The fuel cell membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein the fine pores have a glassy content of 10 to 100 wt%. 제 1항에 있어서, 상기 미세기공이 형성된 유리질은 0.1 내지 40 부피%의 기공도를 가지는 연료전지용 막/전극 접합체.The membrane / electrode assembly of claim 1, wherein the glassy microporous glass has a porosity of 0.1 to 40% by volume. 제 1항에 있어서, 상기 미세기공이 형성된 유리질의 미세기공 크기는 0.01 내지 100 ㎛인 것인 연료전지용 막/전극 접합체.The fuel cell membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein the glass micropores having the micropores have a size of 0.01 to 100 µm. 금속촉매, 바인더 및 용매를 포함하는 촉매 슬러리를 탄소 지지체인 기체확산층의 일면에 코팅하여 촉매전극을 제조하는 단계;Preparing a catalyst electrode by coating a catalyst slurry including a metal catalyst, a binder, and a solvent on one surface of a gas diffusion layer serving as a carbon support; 졸겔법으로 가공하여 미세기공이 형성된 유리질을 제조하는 단계; 및Processed by the sol-gel method to prepare a glass with micropores formed; And 상기 촉매전극을 애노드 전극과 캐소드 전극으로 하고 그 사이에 상기 미세 기공이 형성된 유리질을 위치시킨 후 열간압연하여 접합하는 단계Joining the catalyst electrode as an anode electrode and a cathode electrode by placing the glass material having the micropores therebetween and then hot rolling the same. 를 포함하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.Method for producing a fuel cell membrane / electrode assembly comprising a. 제 5항에 있어서, 상기 미세 기공이 형성된 유리질의 함량은 10 내지 100 중량%로 포함하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.The method of manufacturing a fuel cell membrane / electrode assembly according to claim 5, wherein the fine pores have a glassy content of 10 to 100 wt%. 제 5항에 있어서, 상기 미세기공이 형성된 유리질은 0.1 내지 40 부피%의 기공도를 가지는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.6. The method of claim 5, wherein the glassy microporous glass has a porosity of 0.1 to 40% by volume. 제 5항에 있어서, 상기 미세기공이 형성된 유리질의 미세기공 크기는 0.01 내지 100 ㎛인 것인 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.The method of claim 5, wherein the micropore-formed glassy micropore size is 0.01 to 100 µm. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 따른 막/전극 접합체; 및A membrane / electrode assembly according to any one of claims 1 to 4; And 상기 막/전극 접합체를 협지하는 바이폴러 플레이트를 포함하는 연료전지.And a bipolar plate sandwiching the membrane / electrode assembly.
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