KR20070032554A - Process for forming catalyst layers on a proton exchange membrane within membrane electrode assembly for fuel cell - Google Patents

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KR20070032554A
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Abstract

Provided is a process for forming a catalyst layer on a proton exchange membrane of a membrane electrode assembly for a fuel cell, which allows easy control of the amount of catalyst deposition, improves catalytic efficiency and the quality of a fuel cell, and reduces the loss of catalyst. The process for forming a catalyst layer on a proton exchange membrane of a membrane electrode assembly(MEA)(5) for a fuel cell comprises the steps of: treating a proton exchange membrane in a polar solvent containing catalyst particles to allow swelling of the proton exchange membrane; and treating the proton exchange membrane in an aprotic solvent to allow the catalyst particles to be applied onto the proton exchange membrane. The MEA for a fuel cell includes the proton exchange membrane and a fuel diffusion electrode.

Description

연료전지용 막전극접합체의 수소이온교환막 상에 촉매층을 형성시키는 방법{PROCESS FOR FORMING CATALYST LAYERS ON A PROTON EXCHANGE MEMBRANE WITHIN MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL}FIELD OF THE INVENTION A method for forming a catalyst layer on a hydrogen ion exchange membrane of a membrane electrode assembly for a fuel cell {PROCESS FOR FORMING CATALYST LAYERS ON A PROTON EXCHANGE MEMBRANE WITHIN MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL}

도 1은 본 발명에 따라 수소이온교환막 상에 브리딩 공정에 의해 촉매층을 형성하는 방법을 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing a method of forming a catalyst layer by a bridging process on a hydrogen ion exchange membrane according to the present invention.

도 2는 본 발명의 방법으로 브리딩 공정에 의해 촉매층이 형성된 수소이온교환막을 포함하는 막전극접합체가 구비된 플랫 팩 타입(flat pack-type)의 직접 메탄올 연료전지의 한 구현예이다.2 is an embodiment of a flat pack-type direct methanol fuel cell with a membrane electrode assembly comprising a hydrogen ion exchange membrane having a catalyst layer formed by a bridging process by the method of the present invention.

도 3은 브리딩 공정 횟수에 따라 수소이온교환막 상에 형성된 촉매층의 ESEM(e-Beam Scan Electron Microscopy) 이미지이다. a는 브리딩 공정을 2회 실시한 후, b는 4회 실시한 후, c는 6회 실시한 후 그리고 d는 8회 실시한 후에 형성된 촉매층을 나타낸다.3 is an ESEM (e-Beam Scan Electron Microscopy) image of a catalyst layer formed on a hydrogen ion exchange membrane according to the number of breeding processes. a denotes a catalyst layer formed after performing the breathing process twice, b after performing four times, c after performing six times and d after performing eight times.

도 4는 본 발명에 따라 수소이온교환막의 브리딩 공정을 실시한 후 횟수에 따른 수소이온교환막 상에 형성된 촉매층의 촉매량을 나타낸 그래프이다. 4 is a graph showing the catalyst amount of the catalyst layer formed on the hydrogen ion exchange membrane according to the number of times after performing the bridging process of the hydrogen ion exchange membrane according to the present invention.

도 5는 브리딩 공정에 의해 촉매층이 형성된 수소이온교환막을 포함하는 막전극접합체의 단층을 촬영한 ESEM 이미지이다.FIG. 5 is an ESEM image of a single layer of a membrane electrode assembly including a hydrogen ion exchange membrane in which a catalyst layer is formed by a bridging process.

도 6은 본 발명에 의해 구현된 막전극접합체를 포함하는 연료전지의 성능 테스트를 위해 4 M, 6 M, 및 8 M의 메탄올 수용액을 연료로 사용한 연료전지에서 전류 증가에 따른 전력 밀도의 특성을 나타내는 그래프이다. 도 6의 그래프에서 -●-는 본 발명에 따라 브리딩 공정이 적용된 MEA의 성능을 나타내며, -□-는 종래의 스프레이 방법을 사용하여 촉매층을 형성한 MEA의 성능을 나타낸다.FIG. 6 is a graph illustrating characteristics of power density with increasing current in a fuel cell using 4 M, 6 M, and 8 M aqueous methanol solution as a fuel for performance test of a fuel cell including a membrane electrode assembly according to the present invention. It is a graph. In the graph of FIG. 6,-●-indicates the performance of the MEA to which the breathing process is applied according to the present invention, and-□-indicates the performance of the MEA in which the catalyst layer is formed using a conventional spray method.

도면의 부호에 대한 간단한 설명Brief description of the symbols in the drawings

1 -- 연료통     1-fuel container

2 -- 전지 지지체    2-battery support

3 -- 집전체     3-current collector

4 -- 가스켓    4-Gasket

5 -- 막전극접합체    5-membrane electrode assembly

본 발명은 연료전지용 막전극접합체의 수소이온교환막 상에 촉매층을 형성시키는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 수소이온교환막 상에 촉매입자를 균일하게 도포하여 고분산된 촉매층으로 촉매의 반응 효율성을 증대시켜서 연료전지의 에너지 밀도와 출력 밀도를 향상시킬 수 있는 연료전지용 막전극접합체 의 수소이온교환막 상에 촉매층을 형성시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a catalyst layer on a hydrogen ion exchange membrane of a membrane electrode assembly for a fuel cell. More particularly, the reaction of a catalyst with a highly dispersed catalyst layer by uniformly applying catalyst particles on a hydrogen ion exchange membrane of a fuel cell. The present invention relates to a method for forming a catalyst layer on a hydrogen ion exchange membrane of a membrane electrode assembly for a fuel cell that can increase efficiency and improve energy density and output density of a fuel cell.

최근 들어 화석 연료의 사용에 의한 환경 파괴 문제가 대두되면서 연료전지의 청정성이 기존의 관심 사항이었던 높은 에너지 효율과 함께 연료전지의 필요성을 증가시켰다. 연료전지는 천연가스와 메탄올 등의 연료로부터 수소 이온을 생성해내며, 이를 대기 중의 산소와 반응시켜 물을 생성시키는 발전방식으로 전기 에너지를 발생시키므로 오염 물질의 배출이 없다. 또한 발전 효율이 40 내지 60 %로 대단히 높고, 반응과정에서 나오는 배출열을 이용하면 최대 80 % 가까운 효율을 얻어낼 수 있다.Recently, the problem of environmental destruction caused by the use of fossil fuels has emerged, and the necessity of fuel cells has been increased along with the high energy efficiency, which is the concern of the fuel cells. A fuel cell generates hydrogen ions from fuels such as natural gas and methanol, and generates electric energy by generating water by reacting it with oxygen in the atmosphere, thereby eliminating pollutants. In addition, the power generation efficiency is very high, 40 to 60%, and the efficiency of the exhaust heat from the reaction process can be as high as 80%.

이러한 연료전지의 청정성과 높은 에너지 효율로 인하여 연료전지는 다음 세대의 에너지원으로 이용되기에 적합하고, 가까운 장래에 생활에 밀접한 에너지원이 될 것으로 예상되고 있다.Due to the cleanliness and high energy efficiency of such fuel cells, fuel cells are suitable for use as energy sources of the next generation, and are expected to become energy sources that are closely related to life in the near future.

초기의 전지는 전부 알칼리 수용액을 전해질로 하고 순수한 수소와 산소를 사용하였으나 점차, 수소 외에 메탄과 천연가스 등의 화석연료를 사용하는 기체연료와, 메탄올 및 하이드라진(Hydrazine)과 같은 액체연료를 사용하는 것 등 여러 가지의 연료전지가 나왔다.Early batteries all used alkaline aqueous electrolytes and used pure hydrogen and oxygen, but gradually, gaseous fuels using fossil fuels such as methane and natural gas in addition to hydrogen, and liquid fuels such as methanol and hydrazine were used. Various fuel cells came out.

이 가운데 작동온도가 300 ℃ 이하인 연료전지를 저온형, 그 이상인 연료전지를 고온형이라고 한다. 또한 발전효율의 향상을 꾀한 것이나, 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 용융탄산염 연료전지를 제 2세대, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지를 제 3세대 연료전지라고 한다.Among them, a fuel cell having an operating temperature of 300 ° C. or lower is a low temperature type, and a fuel cell having a higher temperature is called a high temperature type. In addition, a second-generation solid-state fuel cell that is intended to improve power generation efficiency, or a high-temperature molten carbonate fuel cell that does not use a noble metal catalyst at a higher efficiency is called a third-generation fuel cell.

연료전지의 분류는 주로 사용되는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 알칼리 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC) 및 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)로 구분된다. 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)는 이 고분자전해질 연료전지의 하나로서 메탄올을 연료로 사용한다. The classification of fuel cells is based on the type of electrolyte used, phosphate acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), and solid oxide fuel cell (SOFC). ), Alkaline Fuel Cell (AFC) and Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC). Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) uses methanol as fuel as one of the polymer electrolyte fuel cells.

휴대기기용 소형 연료전지로는 고체형 전해질을 사용하는 것을 선택하고 있어 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)와 액체형 연료를 쓰는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)를 중심으로 연구가 진행되고 있는 추세이다. 휴대용으로 응용하기 위한 연료전지의 필요조건은 시스템의 크기, 무게, 온도 등에 의해 결정되므로, 다른 종류의 연료전지들은 이런 응용에는 적합하지 않다.As a small fuel cell for mobile devices, the use of a solid electrolyte is selected, and a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) using hydrogen as a fuel and a direct methanol fuel cell using liquid fuel are used. Research is being conducted on Cell, DMFC). Since fuel cell requirements for portable applications are determined by the size, weight, temperature, etc. of the system, other types of fuel cells are not suitable for this application.

직접 메탄올 연료전지(DMFC) 시스템은 기본단위인 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)와 MEA의 접합체인 스택(Stack), 시스템을 운전하기 위한 BOP(Balance of Plant), 생산된 전기적 에너지를 휴대용 전자기기의 전원으로 활용하기 위한 BMS(Battery Management System)로 구성된다. 여기서 MEA는 연료전지를 구성하는 기본 단위이며 전기화학적 반응이 일어나는 촉매층과 반응에 의해 발생된 이온을 전달해주는 양이온 전달 막의 접합체로 연료전지 전체 시스템 중 가격적인 면에서나 기술적인 면에서 가장 높은 비중을 차지하고 있다. 즉 MEA의 성 능에 따라 연료전지의 성능이 좌우된다고 할 수 있다. Direct methanol fuel cell (DMFC) system is based on membrane electrode assembly (MEA), which is a basic unit, stack (MEA), balance of plant (BOP) to operate the system, and portable electric energy. It is composed of BMS (Battery Management System) to be used as a power source for electronic devices. MEA is a basic unit constituting the fuel cell, and is a conjugate of a catalyst layer where an electrochemical reaction takes place and a cation transfer membrane that transfers ions generated by the reaction. have. In other words, the performance of the fuel cell depends on the performance of the MEA.

직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)와 비교하여 고가인 귀금속 촉매 Pt-Ru와 Pt 촉매를 10배 정도 사용하고 있다(전극 당 4 내지 5 mg/cm2). 그 이유로는 첫째로 양극(anode)의 메탄올 산화 속도가 매우 느리기 때문이며, 둘째로 반응 부산물인 일산화탄소(CO)로 인한 피독(poisoning)을 막기 위해 사용하는 Ru 조촉매가 산화반응 표면적을 줄이기 때문이다. 이러한 문제들로 인한 직접 메탄올 연료전지의 성능 저하를 극복하고 상용화의 관건이라 할 수 있는 촉매 사용량 감소와 연료전지의 성능 향상을 위해서는 MEA를 제조하는 방법의 개선이 절실하다.Direct methanol fuel cells (DMFCs) use about 10 times more expensive precious metal catalysts Pt-Ru and Pt catalysts than polymer electrolyte fuel cells (PEMFC) (4-5 mg / cm 2 per electrode). This is because first, the oxidation rate of methanol at the anode is very slow, and secondly, the Ru promoter used to prevent poisoning from carbon monoxide (CO), a reaction byproduct, reduces the oxidation surface area. In order to overcome the performance degradation of direct methanol fuel cells due to these problems and to reduce the amount of catalyst used, which is a key factor of commercialization, and to improve the performance of fuel cells, improvement of the method of manufacturing MEA is urgently needed.

지금까지 MEA를 제조하는데 일반적으로 사용되었던 촉매층 형성 방법으로는 전사(Decal) 방법, 막 기초(Membrane-based) 형성 방법 그리고 GDL 기초(Gas Diffusion Layer) 형성 방법 등이 있다. 이러한 방법들은 주로 스프레이(spraying) 방법과 브러쉬(brush) 방법을 사용하여 촉매층을 제작한다.The catalyst layer forming method, which has been commonly used to manufacture MEA, has been described as a decal method, a membrane-based formation method, and a gas diffusion layer formation method. These methods mainly produce a catalyst layer using a spraying method and a brush method.

전사 방법은 테플론(Teflon)과 같은 지지체 상에 촉매 슬러리 등을 먼저 도포한 후 생성된 촉매층을 고분자 전해질 막에 전사시키는 방법이며, 콜로이드법에 의하여 제조된 촉매분말을 이용하여 촉매층을 형성하는 방법이다. 하지만 이 방법은 전해질 막과 직접 접촉하지 못하는 촉매는 활성이 없는 촉매이기 때문에 비용만 증가시키는 문제점이 있다.The transfer method is a method of first applying a catalyst slurry or the like on a support such as Teflon and then transferring the resulting catalyst layer to the polymer electrolyte membrane, and forming a catalyst layer using a catalyst powder prepared by a colloidal method. . However, this method has a problem of only increasing the cost because the catalyst that is not in direct contact with the electrolyte membrane is an inert catalyst.

막 기초 형성 방법은 보통 전처리 후 건조된 전해질막을 고정시키고 용매가 증발될 정도의 열을 가하면서 촉매가 분산된 슬러리를 스프레이하는 방법이다. 막 기초 형성 방법은 전해질막과 촉매의 접촉은 양호하나 나피온 전해질막(Nafion® membrane)과 같은 팽창되는(swelling) 특성이 있는 전해질막을 사용할 경우 스프레이 과정 중에 전해질막의 외형변화에 의해 균일한 촉매 도포가 어렵다는 단점이 있다.The method of forming a membrane base is usually a method of spraying a slurry in which a catalyst is dispersed while fixing a dried electrolyte membrane after pretreatment and applying heat enough to evaporate the solvent. Membrane base formation method has good contact between the electrolyte membrane and the catalyst, but uniform catalyst is applied by the change of the appearance of the electrolyte membrane during the spraying process when an electrolyte membrane having a swelling characteristic such as a Nafion ® membrane is used. Has the disadvantage of being difficult.

또한, GDL 기초 형성 방법은 촉매층 형성을 위해 현재 가장 많이 쓰이는 방법으로 연료 확산층(GDL) 표면에 촉매가 분산된 슬러리를 브러쉬 또는 스프레이하는 방법에 의해 도포하는 방법이다. 이 경우는 촉매 도포방법이 간편하고 촉매 도포 전후의 질량 측정으로 촉매량의 조절이 용이하다는 장점이 있으나, 브러쉬에 의한 촉매 도포시 촉매의 뭉침 현상(aggregation)이 발생할 수 있고, 스프레이에 의한 촉매 도포시에는 스프레이 과정 중의 촉매 손실이 크다는 단점이 있다.In addition, the GDL base forming method is the method most commonly used to form the catalyst layer is a method of applying by a brush or spraying a slurry in which the catalyst is dispersed on the surface of the fuel diffusion layer (GDL). In this case, the catalyst coating method is simple and the catalyst amount can be easily adjusted by measuring the mass before and after coating the catalyst. However, when the catalyst is applied by a brush, aggregation of the catalyst may occur, and when the catalyst is applied by spraying. There is a disadvantage that the catalyst loss during the spraying process is large.

이와 같은 종래의 촉매층 형성 방법의 문제점들은 연료전지의 핵심 부분이라 할 수 있는 MEA의 성능과 직결되며, 고가인 촉매의 손실로 인해 가격적인 면에서도 반드시 개선되어야 할 부분으로 지적되고 있다. The problems of the conventional catalyst layer formation method are directly related to the performance of the MEA, which is a core part of the fuel cell, and pointed out as a part that must be improved in terms of cost due to the loss of expensive catalysts.

이러한 문제점들을 극복하기 위해 많은 연구, 개발이 이루어지고 있으며, 미국 특허 제 6,902,757호에서는 특정한 필름 상에 촉매층을 형성하여 이를 가온, 가압하여 수소이온교환막에 부착하여 촉매층의 균일성을 향상시키고자 하였다. 또한 미국 특허 제 6,893,761호에서는 MEA를 제조하는 일반적인 방법으로 카본 페이퍼에 직접 촉매층을 형성하고 수소이온교환막을 압착하는 방법으로 전극, 촉매층 및 수 소이온교환막의 접촉성을 사용하였다.In order to overcome these problems, many researches and developments have been made, and in US Pat. No. 6,902,757, a catalyst layer was formed on a specific film, which was heated and pressed to attach to a hydrogen ion exchange membrane to improve the uniformity of the catalyst layer. In addition, US Pat. No. 6,893,761 used a contact method of an electrode, a catalyst layer, and a hydrogen ion exchange membrane as a method of forming a catalyst layer directly on carbon paper and compressing a hydrogen ion exchange membrane as a general method of manufacturing MEA.

이외에도 일반적인 고분자 전해질막을 사용한 MEA제작 방법과 운전조건(Y. G. Guo, J. S. Hu, H. P. Liang, L. J. Wan, C. L. Bai, Chem. Master, 15 (2003) 4332-4336)이 보고되어 있다.In addition, MEA manufacturing methods and operating conditions (Y. G. Guo, J. S. Hu, H. P. Liang, L. J. Wan, C. L. Bai, Chem. Master, 15 (2003) 4332-4336) have been reported.

본 발명의 목적은 연료전지용 MEA의 촉매층 형성에서 문제로 지적되어 왔던 균일한 촉매층 형성의 어려움과 전극, 촉매 그리고 수소이온교환막간의 접촉의 문제점을 개선할 수 있는 촉매층을 형성하는 새로운 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a new method for forming a catalyst layer that can improve the difficulty of forming a uniform catalyst layer and the problem of contact between an electrode, a catalyst and a hydrogen ion exchange membrane, which has been pointed out as a problem in forming a catalyst layer of a fuel cell MEA. will be.

본 발명의 다른 목적은 공정이 간단하고 촉매층의 두께와 촉매 증착량의 조절이 용이하며 수소이온교환막 상에 촉매층이 균일하게 도포되어 촉매의 이용효율을 높일 수 있는 브리딩 공정에 의해 수소이온교환막 상에 촉매층을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to simplify the process, to easily control the thickness of the catalyst layer and the amount of deposition of the catalyst, and to uniformly apply the catalyst layer on the hydrogen ion exchange membrane to increase the utilization efficiency of the catalyst on the hydrogen ion exchange membrane. It is to provide a method for forming a catalyst layer.

또한, 본 발명의 목적은 브리딩 공정에 의해 형성된 촉매층에서의 효율적인 전기화학적 반응에 의해 더욱 성능이 향상된 MEA를 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide an MEA which is further improved by an efficient electrochemical reaction in the catalyst layer formed by the breathing process.

하나의 양태에서, 본 발명은 수소이온교환막과 연료확산전극을 포함하는 연료전지용 막전극접합체를 제조하는데 있어서, 먼저 촉매 입자를 포함하는 극성 용매 중에 수소이온교환막을 처리하여 팽윤시키고, 다시 비양자성 용매 중에 처리하 여서 상기 수소이온교환막 상에 촉매입자를 도포시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 수소이온교환막 상에 촉매층을 형성시키는 방법을 제공한다.In one embodiment, the present invention is to prepare a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a hydrogen ion exchange membrane and a fuel diffusion electrode, first swelling by treating the hydrogen ion exchange membrane in a polar solvent containing the catalyst particles, and then again an aprotic solvent The present invention provides a method for forming a catalyst layer on a hydrogen ion exchange membrane of a membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein the catalyst particles are coated on the hydrogen ion exchange membrane by treatment in the air.

본 발명은 종래 기술에서 연료전지용 MEA의 수소이온교환막 상에 촉매층을 형성시키는데 사용되었던 방법과는 전혀 다른 새로운 촉매층의 형성 방법을 포함한다.The present invention includes a method of forming a new catalyst layer which is completely different from the method used in the prior art to form the catalyst layer on the hydrogen ion exchange membrane of the MEA for fuel cells.

본 발명에 따르면, 수소이온교환막을 '브리딩 공정(breathing process)'에 의해 균일하게 분산된 촉매층을 형성할 수 있다, '브리딩 공정'은 금속 나노입자(nanoparticles)의 분산 방법 중 하나이며 고분자 물질이 가지고 있는 브리딩 특성을 이용하는 방법이다. 특히 폴리아크릴아미드(PAM, Polyacrylamide Hydrogel)를 이용한 나노입자의 분산 방법이 알려져 있다.According to the present invention, it is possible to form a catalyst layer in which the hydrogen ion exchange membrane is uniformly dispersed by a 'breathing process', which is one of the methods for dispersing metal nanoparticles and This is how you use your breeding characteristics. In particular, a method of dispersing nanoparticles using polyacrylamide (PAM, Polyacrylamide Hydrogel) is known.

본 발명에 있어서, '수소이온교환막'은 극성 용매 중에서는 팽창(swelling)되는 반면 비양자성 용매 중에서는 수축(shrinkage)되는 물성을 가지는 고분자 전해질로, 바람직하기로는 퍼플루오로술폰산 또는 퍼를루오로카본 술폰산 이오노머, 더욱 바람직하기로는 Nafion® 115 또는 Nafion® 117을 사용할 수 있다.In the present invention, the 'hydrogen ion exchange membrane' is a polymer electrolyte having physical properties of being swelled in polar solvents but shrinked in aprotic solvents, preferably perfluorosulfonic acid or perluoro. Carbon sulfonic acid ionomers, more preferably Nafion ® 115 or Nafion ® 117 can be used.

본 발명에서는 상기 수소이온교환막 상에 브리딩 공정에 의해 직접 촉매층을 형성하는데, 도 1에 나타낸 바와 같이 브리딩 공정에 따라 촉매가 고분산되어 있는 극성 수용액 중에서 고분자 전해질인 수소이온교환막을 처리하면 브리딩 인(breathing in)의 효과에 의해 수소이온교환막 표면이 팽창(swelling)하게 된다. 상기 수소이온교환막을 비양자성 용매(Aprotic Solvent) 중에서 다시 처리하면 브 리딩 아웃(breathing out) 효과에 의해 극성 용매 중에서 팽창된 수소이온교환막 표면이 수축(shrinkage)되면서 촉매 입자가 수소이온교환막 표면의 물리적인 힘에 의해 균일하게 도포되어 층을 이루게 된다.In the present invention, a catalyst layer is directly formed on the hydrogen ion exchange membrane by a bridging process. As shown in FIG. 1, when the hydrogen ion exchange membrane, which is a polymer electrolyte, is treated in a polar aqueous solution in which the catalyst is highly dispersed according to the bridging process, the bridging phosphorus ( The effect of breathing in causes the surface of the hydrogen ion exchange membrane to swell. When the hydrogen ion exchange membrane is retreated in an aprotic solvent, the surface of the hydrogen ion exchange membrane expanded in a polar solvent shrinks due to a bridging out effect, and thus catalyst particles are physically formed on the surface of the hydrogen ion exchange membrane. It is uniformly applied by the force of phosphorus to form a layer.

상기한 브리딩 공정은 브리딩 인과 브리딩 아웃을 1회 반복단위로 하여 횟수를 반복 실시하는 간단한 방법에 의해 촉매층이 균일하게 형성되므로 촉매의 이용 효율을 높이고 전지화학적 반응이 일어나는 촉매층의 반응 효율성을 증대시켜 MEA의 전체적 성능의 향상으로 연료전지의 에너지 밀도와 출력 밀도를 향상시킬 수 있다.In the above breeding process, the catalyst layer is uniformly formed by a simple method of repeating the number of times of breeding in and breeding out once, thereby increasing the utilization efficiency of the catalyst and increasing the reaction efficiency of the catalyst layer in which the electrochemical reaction occurs. By improving the overall performance of the fuel cell, the energy density and power density can be improved.

본 발명에서 브리딩 인 공정에서 사용가능한 극성 용매로는 물, 1-프로필 알코올, 2-프로필 알코올 등의 알코올 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 바람직하기로는 물을 사용한다. 또한, 브리딩 아웃 공정에서 사용가능한 비양자성 용매로는 아세톤, 아세토나이트릴 등이 있으며, 바람직하기로는 아세톤을 사용한다.In the present invention, as the polar solvent that can be used in the breeding-in process, an alcohol such as water, 1-propyl alcohol, 2-propyl alcohol, or a mixture thereof may be used, and preferably water is used. In addition, aprotic solvents usable in the breeding out process include acetone, acetonitrile, and the like, and acetone is preferably used.

상기한 수소이온교환막 상에 형성되는 촉매층의 금속 촉매로는 Pt가 있다. 또한 촉매 반응 중 생성되는 일산화탄소(CO)에 의한 촉매 피독의 방지를 위해 Pt-Ru, Pt-Mn, Pt-Ru-Mo, Pt-Ru-W 등을 사용할 수 있으며, 바람직하기로는 Pt 또는 Pt-Ru이다. 그러나, 본 발명에 사용가능한 금속 촉매가 이에 제한되지는 않는다.Pt is a metal catalyst of the catalyst layer formed on the hydrogen ion exchange membrane. In addition, Pt-Ru, Pt-Mn, Pt-Ru-Mo, Pt-Ru-W, etc. may be used to prevent catalyst poisoning by carbon monoxide (CO) generated during the catalytic reaction, and preferably Pt or Pt- Ru. However, the metal catalyst usable in the present invention is not limited thereto.

수소이온교환막에 촉매층을 형성하기 위한 극성 용매에는 촉매 중량 대비로 약 30배의 용매를 첨가하여 슬러리 형태로 제조할 수 있으며, 이때 용매의 양은 첨가되는 촉매량에 따라 임의로 조절될 수 있다.The polar solvent for forming the catalyst layer on the hydrogen ion exchange membrane may be prepared in the form of a slurry by adding about 30 times the solvent weight to the catalyst weight, and the amount of the solvent may be arbitrarily adjusted according to the amount of the catalyst added.

본 발명에 따르면, 수소이온교환막 상에 형성되는 촉매층은 두께와 촉매량이 브리딩 공정의 횟수에 따라 임의로 조절될 수 있는데, 예를 들면 브리딩 공정을 2, 4, 6, 8회 반복 실시하여 수소이온교환막 표면에 도포되는 촉매층의 두께와 촉매량을 조절한다. 이 분야에 숙련된 사람들이라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않으면서 촉매층의 두께와 촉매량을 필요에 따라 조절할 수 있다.According to the present invention, the catalyst layer formed on the hydrogen ion exchange membrane may be arbitrarily adjusted according to the thickness and the amount of catalysts depending on the number of breeding processes. For example, the bridging process is repeated 2, 4, 6, and 8 times to produce a hydrogen ion exchange membrane. The thickness and amount of catalyst of the catalyst layer applied to the surface are controlled. Those skilled in the art can adjust the thickness and catalyst amount of the catalyst layer as necessary without departing from the technical spirit of the present invention.

다른 양태에서, 본 발명은 브리딩 공정에 의해 고분자 수소이온교환막에 촉매층을 형성한 후, 이를 전극과 접합하는 것을 포함하는 MEA의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for producing an MEA comprising forming a catalyst layer on a polymer hydrogen ion exchange membrane by a breathing process and then bonding the catalyst layer to an electrode.

상기에서 전극은 애노드와 캐소드 모두에서 연료와 공기의 고른 확산을 위한 확산층을 포함한다. 확산층은, 예를 들면 Carbon black vulcan XC-72 (E-tek), Teflon Emulsion PTFE 30 및 용매를 초음파 분쇄하여 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 브러쉬 방법으로 카본 페이퍼(Toray Carbon Paper TGPH-090, 두께:275 ㎛m)에 코팅하여 제조된다. The electrode includes a diffusion layer for even diffusion of fuel and air at both the anode and the cathode. For example, the diffusion layer is ultrasonically pulverized with carbon black vulcan XC-72 (E-tek), Teflon Emulsion PTFE 30, and a solvent to prepare a slurry, and then the slurry is brushed to obtain carbon paper (Toray Carbon Paper TGPH-090, Thickness: 275 μm).

확산층이 형성된 카본 페이퍼의 애노드와 캐소드에는 수소이온교환막 상에 촉매층을 형성하기 위해 사용되는 촉매를 코팅할 수 있는데, 바람직하기로는 상업용 촉매(Johnson Matthey Co.)인 Pt-Ru (몰비 1:1)을 애노드에 사용하고, 캐소드의 촉매로는 Johnson Mattey Co.의 Pt 블랙을 사용한다. 본 발명에서 전극에 사용되는 촉매가 상기에 제한되지는 않는다.The anode and cathode of the carbon paper having the diffusion layer formed thereon may be coated with a catalyst used to form a catalyst layer on the hydrogen ion exchange membrane, preferably Pt-Ru (molar ratio 1: 1), which is a commercial catalyst (Johnson Matthey Co.). Is used for the anode, and Pt black of Johnson Mattey Co. is used as catalyst for the cathode. The catalyst used for the electrode in the present invention is not limited to the above.

확산층에 촉매층을 형성하기 위하여는 5 중량%의 Nafion 용액(고체 함유량 5 중량%)을 촉매 중량에 대하여 3배를 첨가하고, 촉매 기준 중량비 30 배의 용매를 첨가하여서 촉매 슬러리를 만들어서 스프레이 방법에 의해 카본 페이퍼 확산층 위 에 촉매층을 형성한다.In order to form a catalyst layer in the diffusion layer, 5% by weight of Nafion solution (5% by weight of solids content) is added three times with respect to the weight of the catalyst, and a catalyst slurry is added by adding a solvent with a weight ratio of 30 times by weight to form a catalyst slurry. A catalyst layer is formed on the carbon paper diffusion layer.

상기한 방법으로 확산층에 촉매층이 형성된 전극과 촉매층이 형성된 수소이온교환막은 가온, 가압 하에 접합되어 MEA로 제조된다. 수소이온교환막과 전극은 1800 내지 2500 psi, 바람직하게는 2000 psi의 압력 하에서 120 내지 150 ℃, 바람직하게는 135 ℃의 온도로 가온하여 접합된다. 전체적인 촉매량은 카본 페이퍼의 확산층 위에 1 내지 5.0 mg/cm2, 바람직하게는 1 내지 3.0 mg/cm2, 더욱 바람직하게는 3.0 mg/cm2, 그리고 수소이온교환막에는 브리딩 공정에 의해 0.01 내지 0.8 mg/cm2, 바람직하게는 0.5 mg/cm2의 촉매층을 형성한다.In the above-described method, the electrode in which the catalyst layer is formed in the diffusion layer and the hydrogen ion exchange membrane in which the catalyst layer is formed are bonded under heating and pressurization to be made of MEA. The hydrogen ion exchange membrane and the electrode are joined by heating to a temperature of 120 to 150 ° C, preferably 135 ° C under a pressure of 1800 to 2500 psi, preferably 2000 psi. The overall amount of catalyst is from 1 to 5.0 mg / cm 2, preferably from 1 to 3.0 mg / cm 2, more preferably from 3.0 mg / cm 2, and has from 0.01 to 0.8 mg by the breeding process proton exchange membrane on the diffusion layer of carbon paper a catalyst layer of / cm 2 , preferably 0.5 mg / cm 2 .

본 발명의 방법에 따라 브리딩 공정에 의해 촉매층이 형성된 수소이온교환막을 포함하는 MEA를 이용하여 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC) 또는 플랫 팩 타입(Flat pack-type)의 직접 메탄올 연료전지(DMFC)를 제조할 수 있다. 일예로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지는 MEA(5)를 중심으로 비전도성 가스켓(gasket)(4)과 집전판(current collector)(3)이 배치되고 이것을 전지 지지체(2)가 감싸서 하나의 단위 셀을 만든다. 상기 단위 셀은 연료통(1)을 중심으로 좌우에 배치된다. 연료통(1)에는 메탄올 또는 메탄올 수용액이 연료로 주입되며 연료와 접하는 MEA(5)의 좌측이 애노드, 대기 중의 공기와 접촉하는 우측은 캐소드가 된다. 상기 집전판은 니켈 메쉬(Ni-mesh) 또는 서스 메쉬(sus-mesh)에 백금(Pt) 또는 금(Au)을 코팅하여 사용할 수 있다.According to the method of the present invention, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) or a flat pack-type direct methanol fuel cell (DMFC) is prepared using a MEA including a hydrogen ion exchange membrane in which a catalyst layer is formed by a bridging process. It can manufacture. As an example, as shown in FIG. 2, in the direct methanol fuel cell according to the present invention, a non-conductive gasket 4 and a current collector 3 are disposed around the MEA 5. The support 2 is wrapped to form one unit cell. The unit cells are arranged on the left and right about the fuel container 1. Methanol or aqueous methanol solution is injected into the fuel container 1, and the left side of the MEA 5 in contact with the fuel is the anode, and the right side in contact with the air in the atmosphere is the cathode. The current collector plate may be used by coating platinum (Pt) or gold (Au) on a nickel mesh (Ni-mesh) or sus-mesh.

본 발명에서는 수소이온교환막의 브리딩 공정에 의한 촉매층 형성방법으로 종래의 촉매층으로 인한 문제점을 극복하는 균일하고 전극과의 접촉상태가 우수한 촉매층을 형성하게 되었다. 그 결과 연료전지용 MEA에서 촉매의 이용 효율을 높이고 촉매층에서의 전기화학적 반응 효율을 증가시켜서 연료전지의 MEA 성능을 향상시키고 동시에 연료전지의 효율을 증대시켰다.In the present invention, a method of forming a catalyst layer by a bridging process of a hydrogen ion exchange membrane forms a uniform and excellent contact layer with an electrode, which overcomes the problems caused by the conventional catalyst layer. As a result, the fuel cell MEA improved the utilization efficiency of the catalyst and the electrochemical reaction efficiency in the catalyst layer to improve the MEA performance of the fuel cell and at the same time increase the efficiency of the fuel cell.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명에 따른 브리딩 공정을 이용한 MEA의 제작과 성능 테스트를 통해 효과를 확인하고자 한다. Hereinafter, the effect of the manufacturing and performance testing of the MEA using the breeding process according to the present invention will be confirmed through the examples.

실시예Example 1 One

촉매층이 형성되는 수소이온교환막을 제조하기 위한 고분자 전해질로는 Nafion® 115 막을 사용하였다. 상기 수소이온교환막을 2차 증류수에 Pt-Ru 촉매를 첨가하여 고분산시켜 만들어진 슬러리에 침지하여 팽화(breathing in) 공정을 5 분 동안 실시하고, 비양자성 용매에 침지하여 수축(breathing out)시키는 공정을 5 분 동안 실시하였다. 상기 브리딩 공정을 8회 반복 실시하여 Nafion® 115 막 표면 ㎠ 당 0.5 mg의 촉매량이 10 ㎛의 두께로 균일하게 도포된 수소이온교환막을 제조하였다.A Nafion ® 115 membrane was used as a polymer electrolyte for preparing a hydrogen ion exchange membrane in which a catalyst layer was formed. The hydrogen ion exchange membrane is immersed in a slurry made by adding Pt-Ru catalyst to secondary distilled water and highly dispersed to perform a swelling process for 5 minutes, and then immersed in an aprotic solvent to shrink out. Was carried out for 5 minutes. The breeding process was prepared with 8 iterations performed by Nafion ® 115 membrane surface 0.5 mg catalytic amount of a proton exchange uniformly applied to a thickness of a film of 10 ㎛ per ㎠.

전극을 제조하는데 있어서, 연료극인 애노드와 공기극인 캐소드 모두 연료와 공기의 고른 확산을 위한 확산층이 있어야 한다. 확산층은 Carbon black vulcan XC-72 (E-tek), Teflon Emulsion PTFE 30, 용매를 초음파로 분산시킨 후 브러쉬 방 법으로 275 ㎛ 두께의 Toray 카본 페이퍼 TGPH-090에 코팅하여 제조하였다. 1-프로필 알코올 : 2-프로필 알코올 : 2차 증류수(deionized water)를 부피비 2 : 2 : 1로 혼합하여 확산층의 용매로 사용하였다. In manufacturing the electrode, both the anode anode and the cathode cathode should have a diffusion layer for even diffusion of fuel and air. The diffusion layer was prepared by dispersing carbon black vulcan XC-72 (E-tek), Teflon Emulsion PTFE 30, solvents ultrasonically, and then coating the 275 ㎛ thick Toray carbon paper TGPH-090 with a brush method. 1-propyl alcohol: 2-propyl alcohol: secondary deionized water was mixed in a volume ratio of 2: 2: 1 and used as a solvent of the diffusion layer.

확산층이 형성된 카본 페이퍼에 애노드의 촉매로는 상업용 촉매(Johnson Matthey Co.)인 Pt-Ru (몰비 1:1)을 사용하였으며, 캐소드의 촉매로는 Johnson Mattey Co.의 Pt 블랙을 사용하였다. 촉매 100 mg에 대하여 5 중량%의 Nafion 용액(고체 함유량 5 중량%) 300 mg을 첨가한 후, 3000 mg의 상기 확산층의 용매를 첨가하여 촉매 슬러리를 만들어 스프레이 방법에 의해 확산층 위에 촉매층을 형성하였다.Pt-Ru (molar ratio 1: 1), which is a commercial catalyst (Johnson Matthey Co.), was used as an anode catalyst for carbon paper on which the diffusion layer was formed, and Pt black of Johnson Mattey Co. was used as a catalyst for the cathode. After adding 300 mg of 5 wt% Nafion solution (solid content 5 wt%) to 100 mg of catalyst, 3000 mg of the solvent of the diffusion layer was added to form a catalyst slurry to form a catalyst layer on the diffusion layer by the spray method.

확산층에 촉매층이 형성된 전극과 촉매층이 형성된 수소이온교환막을 135 ℃로 가온하고 2000 psi에서 가압하여 접합시켜서 MEA를 제조하였다. 전체적인 촉매량은 카본 페이퍼의 확산층 위에 3.0 mg/cm2, 그리고 수소이온교환막에는 0.5 mg/cm2의 촉매층을 형성시켰다.The electrode having the catalyst layer formed on the diffusion layer and the hydrogen ion exchange membrane on which the catalyst layer was formed were heated to 135 ° C. and pressurized at 2000 psi to prepare an MEA. The total catalyst amount was 3.0 mg / cm 2 on the diffusion layer of carbon paper and 0.5 mg / cm 2 on the hydrogen ion exchange membrane.

애노드Anode 브리딩 (Pt/Ru : 0.5mg/cm2) + 스프레이 (Pt/Ru : 3.0mg/cm2)Breeding (Pt / Ru: 0.5mg / cm 2 ) + Spray (Pt / Ru: 3.0mg / cm 2 ) 캐소드Cathode 브리딩 (Pt/Ru : 0.5mg/cm2) + 스프레이 (Pt : 3.0mg/cm2)Breeding (Pt / Ru: 0.5mg / cm 2 ) + Spray (Pt: 3.0mg / cm 2 )

이렇게 준비된 MEA를 도 2에 나타낸 플랫 팩 타입의 직접 메탄올 연료전지로 제작하여 성능을 시험하였으며, 연료로는 4 M, 6 M, 8 M의 메탄올 수용액이 사용되었고 전류 증가에 따른 전력밀도를 측정하고 각각의 결과를 도 6에 나타내었다.The prepared MEA was tested with a flat pack type direct methanol fuel cell shown in FIG. 2 and tested for performance. As a fuel, 4 M, 6 M, and 8 M aqueous solutions of methanol were used, and the power density was measured according to the increase in current. Each result is shown in FIG.

비교예Comparative example

실시예 1과 동일한 방법으로 카본 페이퍼 위에 확산층을 형성한 후, 전체 촉매량이 실시예 1에서 사용된 촉매량과 같도록 촉매 슬러리를 스프레이 방법으로 3.5 mg/cm2 도포하여 촉매층을 형성하였다. 스프레이 방법을 사용하여 촉매량을 같게 한 후 브리딩에 의한 촉매층 형성방법과 비교하였다.After the diffusion layer was formed on the carbon paper in the same manner as in Example 1, the catalyst slurry was applied by spraying 3.5 mg / cm 2 so that the total catalyst amount was the same as the catalyst amount used in Example 1 to form a catalyst layer. The catalyst amount was equalized using the spray method, and then compared with the catalyst layer forming method by breeding.

수소이온교환막을 통상의 MEA 제조 방법에서와 같이 브리딩 공정 없이 가온(135 ℃), 가압(2000 psi)하여 MEA를 제조하였다.The hydrogen ion exchange membrane was heated (135 ° C.) and pressurized (2000 psi) without a bridging process as in a conventional MEA manufacturing method to prepare a MEA.

애노드Anode 스프레이 (Pt/Ru : 3.5 mg/cm2)Spray (Pt / Ru: 3.5 mg / cm 2 ) 캐소드Cathode 스프레이 (Pt : 3.5 mg/cm2)Spray (Pt: 3.5 mg / cm 2 )

상기한 방법으로 제조된 MEA는 실시예 1과 동일한 플랫 팩 타입의 DMFC를 만들어서 4 M, 6 M, 8 M의 메탄올 수용액을 연료로 하여 성능 평가시험을 실시하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. The MEA prepared by the above-described method was prepared using the same flat pack type DMFC as in Example 1, and subjected to a performance evaluation test using 4 M, 6 M, and 8 M aqueous methanol solutions, and the results are shown in FIG. 6. .

평가 결과Evaluation results

먼저, 수소이온교환막으로 사용된 Nafion® 115 막의 표면에 도 1에서와 같은 브리딩 공정에 의해 형성된 촉매층을 공정 수행 횟수(cycles)에 따라 ESEM을 이용하여 표면 분석을 실시하였다(도 3). 브리딩 공정을 2, 4, 6, 8회 반복 실시하여 수소이온교환막 표면에 각각 0.21 mg/cm2, 0.35 mg/cm2, 0.46 mg/cm2, 0.51 mg/cm2 만큼의 촉매가 도포되었고 도 3에 보이는 바와 같이 전해질 표면에 상당히 균일하게 촉매층이 형성된 것을 알 수 있다.First, the surface of the Nafion ® 115 membrane used as a hydrogen ion exchange membrane was subjected to surface analysis using ESEM according to the cycles of the catalyst layer formed by the bridging process as shown in FIG. 1 (cycles) (FIG. 3). The breeding process was repeated 2, 4, 6 and 8 times, and 0.21 mg / cm 2 , 0.35 mg / cm 2 , 0.46 mg / cm 2 and 0.51 mg / cm 2 catalyst were applied to the surface of the hydrogen ion exchange membrane. As shown in Fig. 3, it can be seen that the catalyst layer was formed fairly uniformly on the surface of the electrolyte.

도 4의 그래프는 브리딩 공정 수행 횟수에 따른 촉매량을 나타낸 것이다. 도 3과 도 4의 결과에서 보이는 바와 같이 촉매량은 브리딩 공정을 실시하는 횟수에 따라 조절할 수 있으며, 브리딩 공정에 의해서 전해질막 표면에 촉매 입자가 균일하게 도포된다. 또한, 브리딩 공정을 실시하여 Nafion® 115 막에 촉매층을 형성한 다음, MEA를 만들기 위해 핫프레스(hotpress)하였다. 이때 도 5에서 볼 수 있듯이 핫프레스를 사용하여 가온, 가압한 후에도 MEA 내부의 촉매층은 균일하게 유지되었다. 도 5의 사진은 MEA 제작 후에 내부의 촉매층이 형태의 변화 없이 균일함을 보여준다.The graph of Figure 4 shows the amount of catalyst according to the number of breeding process performed. As shown in the results of FIG. 3 and FIG. 4, the amount of catalyst can be adjusted according to the number of times of performing the bridging process, and catalyst particles are uniformly coated on the surface of the electrolyte membrane by the bridging process. In addition, a breeding process was carried out to form a catalyst layer on the Nafion ® 115 membrane, which was then hot pressed to make the MEA. At this time, as shown in FIG. 5, the catalyst layer inside the MEA was kept uniform even after being heated and pressed using a hot press. The photo of FIG. 5 shows that the inner catalyst layer is uniform without change in shape after fabrication of MEA.

상기 실시예 1의 방법과 비교예의 방법으로 제조된 MEA를 사용한 플랫 팩 타입의 직접 메탄올 연료전지에 대한 전력 밀도의 성능 평가에서는 도 6에서 보이는 바와 같이 전류 밀도가 증가함에 따라 실시예 1의 직접 메탄올 연료전지의 전력 밀도가 비교예에서 보다 높은 것으로 나타나서 MEA의 성능이 향상되었음을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 4 M, 6 M 및 8 M 메탄올 수용액에서 모두 동일하게 나타나서, 브리딩 공정에 의해 촉매층이 형성된 수소이온교환막을 사용하는 MEA는 전극, 촉매층 그리고 수소이온교환막간의 접촉이 우수하고 촉매층의 분산이 균일하여 촉매층에서의 전기화학적 반응성이 향상되었음을 확인할 수 있다. In the performance evaluation of the power density of the flat-pack type direct methanol fuel cell using the MEA prepared by the method of Example 1 and Comparative Example, the direct methanol of Example 1 as the current density increases as shown in FIG. The power density of the fuel cell is higher than that of the comparative example, indicating that the performance of the MEA is improved. These results are the same in 4 M, 6 M and 8 M methanol aqueous solution. MEA using a hydrogen ion exchange membrane having a catalyst layer formed by a bridging process has excellent contact between the electrode, the catalyst layer and the hydrogen ion exchange membrane, Since the dispersion is uniform, it can be seen that the electrochemical reactivity in the catalyst layer is improved.

본 발명에 따른 수소이온교환막의 브리딩 특성을 활용한 촉매층 형성 방법은 고분자 전해질막 연료전지와 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질막에 적용할 수 있는 새로운 촉매층 형성 방법이다.The catalyst layer forming method utilizing the breeding characteristics of the hydrogen ion exchange membrane according to the present invention is a novel catalyst layer forming method applicable to the polymer electrolyte membrane fuel cell and the polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cell.

본 발명에 따른 방법은 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)나 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등의 막전극접합체(MEA) 제조에서 주로 사용되던 스프레이 방법이나 브러쉬 방법에 의한 촉매층 형성 방법과는 전혀 다른 방법으로, 고분산된 촉매 입자들이 균일한 촉매층을 형성하므로 촉매 증착량의 조절이 용이하고 촉매 이용 효율을 증가시켜 연료전지의 성능을 개선시킬 수 있으며 촉매 손실을 감소시켜 경제성또한 확보할 수 있다.The method according to the present invention is completely different from the method of forming a catalyst layer by the spray method or the brush method, which is mainly used in the manufacture of membrane electrode assemblies (MEA), such as a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) or a direct methanol fuel cell (DMFC). In addition, since highly dispersed catalyst particles form a uniform catalyst layer, it is easy to control the deposition amount of the catalyst and increase the efficiency of using the catalyst to improve the performance of the fuel cell.

Claims (11)

수소이온교환막과 연료확산전극을 포함하는 연료전지용 막전극접합체를 제조하는데 있어서, 먼저 촉매 입자를 포함하는 극성 용매 중에 수소이온교환막을 처리하여 팽윤시키고, 다시 비양자성 용매 중에 처리하여서 상기 수소이온교환막 상에 촉매입자를 도포시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 수소이온교환막 상에 촉매층을 형성시키는 방법.In preparing a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a hydrogen ion exchange membrane and a fuel diffusion electrode, the hydrogen ion exchange membrane is first swelled by treating the hydrogen ion exchange membrane in a polar solvent containing catalyst particles, and then treated in an aprotic solvent to form a phase on the hydrogen ion exchange membrane. A method of forming a catalyst layer on a hydrogen ion exchange membrane of a membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein the catalyst particles are coated on the catalyst particles. 제 1항에 있어서, 상기 수소이온교환막이 극성 용매 중에서 팽창되고 비양자성 용매 중에서 수축되는 물성을 가지는 고분자 전해질인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the hydrogen ion exchange membrane is a polymer electrolyte having physical properties that expand in a polar solvent and shrink in an aprotic solvent. 제 2항에 있어서, 상기 고분자 물질이 퍼플루오로술폰산 또는 퍼를루오로카본 술폰산 이오노머인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 2 wherein the polymeric material is perfluorosulfonic acid or perfluorocarbon sulfonic acid ionomer. 제 1항에 있어서, 상기 수소이온교환막이 Nafion115 막 또는 Nafion 117 막인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the hydrogen ion exchange membrane is a Nafion 115 membrane or a Nafion 117 membrane. 제 1항에 있어서, 상기 극성 용매가 물, 알코올 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the polar solvent is selected from water, alcohols and mixtures thereof. 제 1항에 있어서, 상기 비양자성 용매가 아세톤 또는 아세토나이트릴인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the aprotic solvent is acetone or acetonitrile. 제 1항에 있어서, 상기 촉매가 Pt, Pt-Ru, Pt-Mn, Pt-Ru-Mo 및 Pt-Ru-W 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the catalyst is selected from Pt, Pt-Ru, Pt-Mn, Pt-Ru-Mo and Pt-Ru-W. 제 7항에 있어서, 상기 촉매가 Pt 또는 Pt-Ru인 것을 특징으로 하는 방법.8. The process of claim 7, wherein the catalyst is Pt or Pt-Ru. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 하나의 항에 따른 방법으로 촉매층이 형성된 수소이온교환막을 포함하는 막전극접합체.A membrane electrode assembly comprising a hydrogen ion exchange membrane having a catalyst layer formed by the method according to any one of claims 1 to 8. 제 9항에 따른 막전극접합체를 포함하는 직접 메탄올 연료전지.A direct methanol fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 9. 제 9항에 따른 막전극접합체를 포함하는 고분자 전해질막 연료전지.A polymer electrolyte membrane fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 9.
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