KR20070041124A - Membrane electrode assembly for fuel cell, method for preparing the same, and fuel cell system comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치한 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하며, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극중 적어도 하나는 전극 기재와, 상기 전극 기재와 고분자 전해질막 사이에 위치하며, 소정의 패턴으로 형성되는 촉매층을 포함한다.The present invention relates to a membrane-electrode assembly for a fuel cell, a method of manufacturing the same, and a fuel cell system including the same, wherein the membrane-electrode assembly for a fuel cell includes an anode electrode and a cathode electrode disposed to face each other, and between the anode electrode and the cathode electrode. It includes a polymer electrolyte membrane located, wherein at least one of the anode electrode and the cathode electrode is located between the electrode substrate, the electrode substrate and the polymer electrolyte membrane, and comprises a catalyst layer formed in a predetermined pattern.

본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리는, 전지 출력을 유지하면서도 촉매 로딩량을 감소시킬 수 있으며, 전지의 수명 특성을 개선시킬 수 있다. The membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention can reduce the catalyst loading while maintaining the cell output, and can improve the life characteristics of the cell.

막-전극 어셈블리, 촉매층, 고분자 전해질 막, 촉매 로딩량, 증점제. Membrane-electrode assembly, catalyst layer, polymer electrolyte membrane, catalyst loading, thickener.

Description

연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 시스템{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL, METHOD FOR PREPARING THE SAME, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}Membrane-electrode assembly for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell system including the same {MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL, METHOD FOR PREPARING THE SAME, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 개략도이고,1 is a schematic view showing a structure of a fuel cell system according to the present invention,

도 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 전류밀도에 따른 연료전지의 전압 및 출력변화를 나타낸 그래프이고,2 is a graph showing changes in voltage and output of a fuel cell according to current densities according to Example 1 and Comparative Example 1,

도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료전지의 구동시간에 따른 전압변화를 나타낸 그래프이다.3 is a graph illustrating a voltage change according to a driving time of a fuel cell according to Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 감소된 촉매 로딩량으로도 우수한 전지 출력을 나타낼 수 있으며, 전지 수명 특성을 개선시킬 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane-electrode assembly for a fuel cell, a method for manufacturing the same, and a fuel cell system including the same, and more particularly, can exhibit excellent cell output even with a reduced catalyst loading amount, and can improve battery life characteristics. The present invention relates to a membrane-electrode assembly for a fuel cell, a method for manufacturing the same, and a fuel cell system including 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. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. The 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. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우를 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)이라 한다. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). The use of methanol as fuel in the direct oxidation fuel cell is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료 가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.The polymer electrolyte fuel cell has the advantages of high energy density and high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen, which is fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a device.

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but it is easy to handle fuel and has a low operating temperature, so that it can be operated at room temperature, in particular, it does not require a fuel reformer.

이와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 갖는다. 또한, 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화 전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 갖는다.In such a fuel cell system, the stack that substantially generates electricity is comprised of a number of unit cells comprising a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a stacked structure of several tens. In addition, the membrane-electrode assembly includes an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxidation electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") with a polymer electrolyte membrane including a hydrogen ion conductive polymer therebetween. ) Is located.

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되고 또한 전자가 발생하며, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 상기 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.The principle of generating electricity in a fuel cell is that fuel is supplied to an anode electrode, which is a fuel electrode, adsorbed to a catalyst of the anode electrode, the fuel is ionized by an oxidation reaction, and electrons are generated, and the generated electrons are oxidized according to an external circuit. Reaching the cathode, which is the pole, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode to generate electricity while generating water.

본 발명의 목적은 감소된 촉매 로딩량으로도 우수한 전지 출력을 나타낼 수 있으며, 전지 수명 특성을 개선시킬 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell which can exhibit excellent cell output even with a reduced catalyst loading and can improve cell life characteristics.

본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제조하는 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a manufacturing method for manufacturing the fuel cell membrane-electrode assembly.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연 료전지 시스템을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system including the fuel cell membrane-electrode assembly.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 제1실시예에 따르면 서로 대향하여 위치한 애노드 전극과 캐소드 전극, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하며, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나는 전극 기재와 상기 전극 기재와 고분자 전해질막 사이에 위치하며, 소정의 패턴으로 형성되는 촉매층을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.In order to achieve the above object, according to the first exemplary embodiment of the present invention, an anode electrode and a cathode electrode are disposed to face each other, and a polymer electrolyte membrane is disposed between the anode electrode and the cathode electrode, and among the anode electrode and the cathode electrode. At least one is provided between the electrode substrate and the electrode substrate and the polymer electrolyte membrane, and provides a fuel cell membrane-electrode assembly comprising a catalyst layer formed in a predetermined pattern.

본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따르면, 금속 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 이용하여 고분자 전해질 막에 소정의 패턴으로 촉매층을 형성한 후 전극기재를 결착시키는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 제공한다.According to a second exemplary embodiment of the present invention, a fuel comprising forming a catalyst layer in a predetermined pattern on a polymer electrolyte membrane using a catalyst layer-forming composition comprising a metal catalyst and a binder resin and then binding the electrode substrate thereon. Provided is a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a battery.

본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따르면, 상기 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 위치하는 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.According to a third exemplary embodiment of the present invention, the membrane-electrode assembly and a separator located on both sides of the membrane-electrode assembly include at least one electricity generating electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant. It provides a fuel cell system including a generator, comprising a fuel supply unit for supplying fuel to the electricity generation unit and an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generation unit.

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

본 발명은 촉매층을 소정의 패턴으로 형성함으로써 감소된 촉매 로딩량으로 우수한 전지 출력을 나타낼 수 있고, 또한 촉매층 형성용 조성물내 증점제를 더 포 함함으로써 용매의 고분자 전해질막으로의 침투를 감소시키고, 또한 이로 인한 고분자 전해질 막의 팽윤을 감소시켜 연료 전지의 구조적 안정성 및 전지 수명 특성을 향상시킬 수 있었다. The present invention can exhibit excellent battery output with a reduced catalyst loading by forming the catalyst layer in a predetermined pattern, and further includes a thickener in the composition for forming a catalyst layer to reduce the penetration of the solvent into the polymer electrolyte membrane, and As a result, the swelling of the polymer electrolyte membrane was reduced, thereby improving structural stability and battery life characteristics of the fuel cell.

즉, 본 발명의 예시적인 제1실시예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리는, That is, the membrane-electrode assembly for a fuel cell according to the first exemplary embodiment of the present invention,

서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And

상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하며, It includes a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode,

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극중 적어도 하나는, At least one of the anode electrode and the cathode electrode,

전극 기재, 및An electrode substrate, and

상기 전극 기재와 고분자 전해질막 사이에 위치하며, 소정의 패턴으로 형성되는 촉매층을 포함한다.Located between the electrode substrate and the polymer electrolyte membrane, and comprises a catalyst layer formed in a predetermined pattern.

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극중 적어도 하나는 촉매층과 이를 지지하는 전극 기재를 포함한다.At least one of the anode electrode and the cathode electrode includes a catalyst layer and an electrode substrate supporting the same.

상기 전극 기재는 전극에서의 촉매층을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 이와 같은 전극기재로는 도전성 기재를 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속 천(섬유 상태의 금속 천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The electrode substrate plays a role of supporting the catalyst layer in the electrode and diffuses the fuel and the oxidant to the catalyst layer, thereby serving to easily access the fuel and the oxidant to the catalyst layer. A conductive substrate may be used as such an electrode substrate, and a representative example thereof is a porous film composed of carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (fibrous metal cloth). Or a metal film formed on a surface of a cloth formed of polymer fiber (referred to as metalized polymer fiber), but is not limited thereto.

상기 전극 기재에 의해 지지되는 촉매층은 소정의 패턴으로 형성되며, 또한 상기 촉매층의 패턴은 세퍼레이터의 유로 형상에 대응하는 것이 바람직하다. 이때 상기 세퍼레이터의 유로 형상은 채널 형상 또는 아일랜드 형상일 수 있으며, 채널 형상일 경우 단일 또는 다중 채널 형상을 가질 수 있다. The catalyst layer supported by the electrode substrate is formed in a predetermined pattern, and the pattern of the catalyst layer preferably corresponds to the shape of the flow path of the separator. In this case, the flow path shape of the separator may have a channel shape or an island shape, and in the case of a channel shape, the separator may have a single or multi-channel shape.

상기와 같이 촉매층의 형상을 세퍼레이터의 유로 형상과 일치시킴으로써, 촉매층을 고분자 전해질막 전면에 대해 형성한 경우와 비교하여 동일한 전지 출력을 나타내면서도 촉매 로딩량을 30 내지 70%로 감소시킬 수 있다. By making the shape of the catalyst layer coincide with the shape of the flow path of the separator as described above, the catalyst loading can be reduced to 30 to 70% while showing the same battery output as compared with the case where the catalyst layer is formed on the entire surface of the polymer electrolyte membrane.

또한, 보다 바람직하게는, 연료에 고분자 전해질막이 직접 노출되는 일을 방지하기 위해, 상기 촉매층의 패턴은 세퍼레이터의 유로 채널 폭에 비해 1 내지 2 mm 더 큰 폭을 갖는 채널 형상을 갖는 것이 바람직하다.Further, more preferably, in order to prevent the polymer electrolyte membrane from being directly exposed to the fuel, the pattern of the catalyst layer preferably has a channel shape having a width of 1 to 2 mm larger than the width of the flow channel of the separator.

또한 상기 촉매층은 촉매층 제조시 사용된 추가적으로 포함된 증점제가 제조공정중 제거됨에 따라 형성된 미세기공을 포함하고 있어, 반응물의 확산저항 (diffusion resistance)를 감소시킬 수 있으며, 물 및 이산화탄소(CO2)와 같은 반응 생성물의 배출이 용이하다. 또한 미세기공 형성에 따른 촉매층의 반응 표면적의 증가로 촉매 활성을 증가시킬 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 촉매층은 촉매층 총 부피에 대하여 10 내지 90 부피%의 기공도를 가지며, 보다 바람직하게는 30 내지 70 부피%의 기공도를 갖는다. 촉매층의 기공도 범위를 벗어나면 촉매층의 기계적 강도가 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.In addition, the catalyst layer includes micropores formed as the additionally included thickener used in the preparation of the catalyst layer is removed during the manufacturing process, thereby reducing the diffusion resistance of the reactants, and reducing water and carbon dioxide (CO 2 ) and Ejection of the same reaction product is easy. In addition, the catalytic activity may be increased by increasing the reaction surface area of the catalyst layer due to the formation of micropores. More preferably, the catalyst layer has a porosity of 10 to 90% by volume relative to the total volume of the catalyst layer, and more preferably has a porosity of 30 to 70% by volume. If the porosity of the catalyst layer is out of the range, the mechanical strength of the catalyst layer may be lowered, which is not preferable.

또한, 상기 촉매층은 금속 촉매 및 바인더 수지를 포함한다.In addition, the catalyst layer includes a metal catalyst and a binder resin.

상기 금속 촉매는 촉매층내 관련 반응(연료의 산화 및 산소의 환원)을 도와주는 것으로, 대표적으로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, W, Mo, Rh, Sn 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. The metal catalyst assists in the relevant reactions in the catalyst layer (oxidation of fuel and reduction of oxygen), typically platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy At least one member selected from the group consisting of (M = Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, W, Mo, Rh, Sn and Zn) And Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru One or more selected from the group consisting of / W, Pt / Ru / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, and Pt / Ru / Sn / W can be used.

또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다. 보다 바람직하게는 탄소에 담지된 백금의 이원 또는 삼원 합금계 촉매를 사용할 수 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 이해될 수 있는 내용이다.In addition, such a metal catalyst may be used as the metal catalyst (black) itself, or may be supported on a carrier. As the carrier, carbon such as acetylene black, denka black, activated carbon, ketjen black, graphite may be used, or inorganic fine particles such as alumina, silica, titania, zirconia may be used, but carbon is generally used. More preferably, a carbon-based platinum or binary alloy catalyst based on carbon 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, detailed descriptions thereof will be readily understood by those skilled in the art even if the detailed description is omitted.

상기 금속 촉매는 촉매층 총 중량에 대하여 20 내지 95 중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 50 내지 95 중량%로 포함된다. 20 중량% 미만으 로 포함되면 반응물의 산화 환원 속도가 느려져 바람직하지 않고, 95 중량%를 초과하면 촉매층내의 수소 이온 전도에 대한 저항이 높아져 바람직하지 않다.The metal catalyst is preferably included in 20 to 95% by weight, more preferably 50 to 95% by weight relative to the total weight of the catalyst layer. If the content is less than 20% by weight, the redox rate of the reactant is not preferable, and if it is more than 95% by weight, the resistance to hydrogen ion conduction in the catalyst layer is high.

상기 바인더 수지는 촉매층과 고분자 전해질 막과의 접착력 향상 및 수소 이온 전도도를 향상시키는 역할을 한다. 따라서 상기 바인더 수지로는 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 사용할 수 있다. 가장 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)이 바람직하다.The binder resin serves to improve adhesion between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane and to improve hydrogen ion conductivity. Therefore, it is preferable to use a polymer resin having ion conductivity as the binder resin, and more preferably a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain. The polymer resin which has is used. Preferably, a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether One or more polymers selected from ether ketone polymers and polyphenylquinoxaline polymers can be used. Most preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinylethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyetherketones, aryl ketones, Poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) and poly (2,5- One or more polymers selected from benzimidazole), more preferably poly (perfluorosulfonic acid).

상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 고분자와 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.The binder resin may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used with a nonconductive polymer for the purpose of further improving adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the usage-amount so that it may be suitable for a purpose of use.

상기 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA) 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (Ethylene/Tetrafluoroethylene(ETFE)), 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 및 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 바람직하다. The non-conductive polymer may be polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer (PFA) ethylene / tetrafluoro Copolymers of ethylene (Ethylene / Tetrafluoroethylene (ETFE)), chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP) At least one selected from the group consisting of is preferable.

상기 바인더 수지는 촉매층 총 중량에 대하여 3 내지 50중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 5 내지 40 중량%로 포함된다. 3중량% 미만으로 포함되면 촉매층 내의 수소 이온 전도에 대한 저항이 높아져 하여 바람직하지 않고, 50 중량%를 초과하면 전자 전달 저항이 커지고 백금계 촉매 표면이 차단되므로 산화환원 반응을 위한 촉매의 유효표면적이 저하되어 바람직하지 않다.The binder resin is preferably contained in 3 to 50% by weight, more preferably 5 to 40% by weight based on the total weight of the catalyst layer. If the content is less than 3% by weight, it is not preferable because the resistance to hydrogen ion conduction in the catalyst layer is increased. If the content exceeds 50% by weight, the effective surface area of the catalyst for redox reaction is increased because the electron transfer resistance is increased and the surface of the platinum-based catalyst is blocked. It is lowered and is not preferable.

상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에는 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 갖는 고분자 전해질막이 존재한다.Between the anode electrode and the cathode electrode there is a polymer electrolyte membrane having an ion exchange function for moving the hydrogen ions generated in the catalyst layer of the anode electrode to the catalyst layer of the cathode electrode.

이와 같은 고분자 전해질막으로는 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. 바람직한 고분자 전해질 막으로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. As such a polymer electrolyte membrane, a polymer having excellent hydrogen ion conductivity can be used. Representative examples thereof include a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain. Preferred polymer electrolyte membranes include fluoropolymers, benzimidazole polymers, polyimide polymers, polyetherimide polymers, polyphenylenesulfide polymers, polysulfone polymers, polyethersulfone polymers, and polyether ketone polymers. , A polyether-etherketone-based polymer and a polyphenylquinoxaline-based polymer may include one or more hydrogen ion conductive polymers, and more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (purple) Fluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5, At least one hydrogen ion selected from the group consisting of 5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) and poly (2,5-benzimidazole) Evangelize The thing containing a polymeric polymer can be used.

또한, 고분자 전해질 막으로 상기 퍼플루오로설폰산(상품명: Nafion)을 사용할 경우, 측쇄 말단의 이온 교환기(-SO3X)에서, X를 나트륨, 칼륨, 세슘 등 1가 이온; 또는 테트라부틸암모니움 이온으로 치환하여 사용하는 것이 보다 바람직하다. In addition, when the perfluorosulfonic acid (trade name: Nafion) is used as the polymer electrolyte membrane, X is a monovalent ion such as sodium, potassium, cesium, etc. in an ion exchange group (-SO 3 X) at the side chain end; Or it is more preferable to substitute by using tetrabutylammonium ion.

상기와 같이 측쇄 말단의 이온 교환기를 치환하여 사용할 경우, 열적 안정성이 증가하기 때문에, 막-전극 어셈블리의 제조시 열간압연 공정중 200℃ 이상의 고온으로 열처리하여도 고분자 수지가 열화되어 이온 전도성이 저하되거나 또는 이에 따라 연료전지의 수명이 감소될 우려가 없다. 또한 나트륨, 칼륨, 세슘 또는 테트라부틸암모니움 등의 이온으로 치환된 이온 교환기를 갖는 고분자 전해질 막, 예를 들면 나트륨 이온으로 치환된 경우 나트륨형(sodium-form) 고분자 전해질막은 이후 촉매층에 대한 산 처리시 재술폰화되어 프로톤형(proton-form) 고분자 전해질 막이 된다.When the ion-exchange group of the side chain end is used as described above, the thermal stability is increased, so that the polymer resin is deteriorated even if the heat treatment is performed at a high temperature of 200 ° C. or higher during the hot rolling process during fabrication of the membrane-electrode assembly. Or there is no fear that the life of the fuel cell is reduced accordingly. In addition, a polymer electrolyte membrane having an ion exchange group substituted with ions such as sodium, potassium, cesium, or tetrabutyl ammonium, for example, when substituted with sodium ions, the sodium-form polymer electrolyte membrane is then subjected to acid treatment for the catalyst layer. Upon resulfonation, it becomes a proton-form polyelectrolyte membrane.

또한, 상기 막-전극 어셈블리는 기체 확산 효과를 증진시키기 위하여, 전극 기재 상에 미세 기공층 (microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene) 또는 카본 나노 튜브를 포함할 수 있다. 상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 전기 전도성을 갖는 고분자를 사용할 수 있으며, 구체적으로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the membrane-electrode assembly may further include a microporous layer on the electrode substrate to enhance the gas diffusion effect. This microporous layer may generally comprise a conductive powder having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, ketjen black, activated carbon, carbon fiber, fullerene or carbon nanotubes. The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. As the binder resin, a polymer having electrical conductivity may be used. Specifically, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, or the like may be preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like may be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

상기와 같은 구조를 갖는 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 금속 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 이용하여 고분자 전해질막에 소정의 패턴으로 촉매층을 형성한 후 전극 기재를 결착시키는 단계를 포함하는 본 발명의 예시적인 제2실시예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell having the above structure includes forming a catalyst layer in a predetermined pattern on a polymer electrolyte membrane using a catalyst layer-forming composition including a metal catalyst and a binder resin, and then binding the electrode substrate. It can be produced by the method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to a second exemplary embodiment of the present invention.

보다 상세하게는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법은, 증점제, 금속 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 제조하는 단계; 상기 촉매층 형성용 조성물을 이형 필름의 일면에 소정의 패턴으로 도포하여 촉매층을 형성하는 단계; 상기 촉매층을 고분자 전해질막에 전사하는 단계; 상기 촉매층이 전사된 고분자 전해질막을 산 처리하는 단계; 및 상기 산 처리된 촉매층 형성 고분자 전해질막에 전극 기재를 결착하는 단계를 포함한다.More specifically, a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell may include preparing a composition for forming a catalyst layer comprising a thickener, a metal catalyst, and a binder resin; Forming a catalyst layer by applying the catalyst layer forming composition to a surface of a release film in a predetermined pattern; Transferring the catalyst layer to a polymer electrolyte membrane; Acid treating the polymer electrolyte membrane to which the catalyst layer is transferred; And binding an electrode substrate to the acid treated catalyst layer-forming polymer electrolyte membrane.

상세하게는, 먼저 금속 촉매 및 바인더 수지를 용매중에 첨가하여 촉매층 형성용 조성물을 제조한다. 이때 상기 촉매층 형성용 조성물은 증점제를 더 포함할 수 있다.Specifically, first, a metal catalyst and a binder resin are added to a solvent to prepare a composition for forming a catalyst layer. In this case, the composition for forming the catalyst layer may further include a thickener.

증점제를 포함할 경우, 상기 촉매층 형성용 조성물은 조성물 총 중량에 대하여 증점제 10 내지 35 중량%, 금속 촉매 10 내지 35 중량%, 및 바인더 수지 30 내지 80 중량%를 포함하며, 보다 바람직하게는 증점제 15 내지 25중량%, 금속 촉매 15 내지 25 중량% 및 바인더 수지 35 내지 60 중량%를 포함한다. 상기 함량 범위 내에서는 조성물의 농도 및 점도가 조절되어 실크 스크린 프린팅 등의 방법에 의해 균일한 두께의 촉매층 형성이 가능하여 바람직하며, 상기 함량범위를 벗어날 경우 흐름성이 증가하거나 인쇄성이 저하되어 바람직하지 않다.When the thickener is included, the composition for forming the catalyst layer includes 10 to 35 wt% of a thickener, 10 to 35 wt% of a metal catalyst, and 30 to 80 wt% of a binder resin, and more preferably 15 to 15 wt%, based on the total weight of the composition. To 25 weight percent, 15 to 25 weight percent metal catalyst and 35 to 60 weight percent binder resin. Within the above content range, the concentration and viscosity of the composition may be controlled to form a catalyst layer having a uniform thickness by a method such as silk screen printing. Not.

상기 제조된 촉매층 형성용 조성물은 1,000 내지 100,000cps의 점도를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2,000 내지 50,000 cps의 점도를 가질 수 있다. 촉매층 형성용 조성물의 점도가 1,000cps 미만이면 흐름성이 증가하여 일정두께의 촉매층 형성에 바람직하지 않고, 100,000 cps를 초과하면 인쇄성이 저하되므 로 바람직하지 않다.It is preferable that the prepared composition for forming a catalyst layer has a viscosity of 1,000 to 100,000 cps, more preferably 2,000 to 50,000 cps. If the viscosity of the composition for forming the catalyst layer is less than 1,000 cps, the flowability is increased, which is not preferable for forming a catalyst layer having a predetermined thickness, and if it exceeds 100,000 cps, the printability is lowered, which is not preferable.

상기 금속 촉매 및 바인더 수지는 앞서 설명한 바와 동일하다. 상기 바인더 수지는 용액상태로 하여 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명의 일 실시예에서는 5 wt%의 농도로 바인더 수지 용액을 사용하였다. The metal catalyst and binder resin are the same as described above. The binder resin is preferably used in a solution state, and in one embodiment of the present invention, a binder resin solution is used at a concentration of 5 wt%.

상기 증점제(thicker)는, 고분자 전해질 막에 직접 촉매층을 형성하는 경우 촉매층 형성용 조성물에 포함되는 용매가 고분자 전해질 막내로 침투하여 고분자 전해질 막을 팽윤시켜 막-전극 어셈블리의 구조적 안정성을 감소시키는 것을 방지하는 역할을 한다. 그러나, 증점제는 촉매층내 잔류시 연료전지 구동에 따른 산화 환원 반응시 화학적으로 분해되어 촉매층의 이온전도성 또는 전자 전도성을 저하시킬 우려가 있기 때문에, 최종 제조된 막-전극 어셈블리의 촉매층에 잔존하지 않도록 촉매층 형성 후 산 처리하여 제거하는 것이 바람직하다. The thickener prevents a solvent contained in the composition for forming a catalyst layer from penetrating into the polymer electrolyte membrane and swelling the polymer electrolyte membrane to reduce structural stability of the membrane-electrode assembly when the catalyst layer is directly formed on the polymer electrolyte membrane. Play a role. However, since the thickener may be decomposed chemically during the redox reaction caused by the fuel cell operation when remaining in the catalyst layer, thereby reducing the ion conductivity or the electronic conductivity of the catalyst layer, the catalyst layer does not remain in the catalyst layer of the finally prepared membrane-electrode assembly. It is preferable to remove by acid treatment after formation.

또한 상기 증점제는 산 처리 과정에서 제거되어 촉매층을 미세기공구조로 전환함으로써 반응물의 원활한 유입과 반응부산물의 신속한 제거를 위한 통로를 제공하는 역할도 한다.In addition, the thickener may be removed during the acid treatment to convert the catalyst layer into a microporous structure, thereby providing a passage for smooth inflow of the reactants and rapid removal of the reaction by-products.

상기 증점제로는 글리세린, 디프로필렌글리콜, 메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리에테르폴리머, 크리소타일 아스베스토스(Chrysotile asbestos), 폴리아미드 폴리머 및 카보폴(Carbopol)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. The thickener may be glycerin, dipropylene glycol, methyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl ethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, polyether polymer, chrysotile asbestos (Chrysotile asbestos). ), Polyamide polymer and Carbopol can be used.

상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, 에틸알코올, n-프로필알코올, 부 틸알코올 등과 같은 알코올, N-메틸-2-피롤리디논(N-methyl-2-pyrrolidinone; NMP), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide; DMF), 디메틸 아세트아마이드(dimethyl acetamide; DMA), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran; THF), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide; DMSO), 아세톤, 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone; MEK), 테트라메틸우레아(tetramethylurea), 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate), 부티로락톤(butyrolactone), 이소포론(isophorone), 카르비톨 아세테이트(carbitol acetate), 메틸이소부틸케톤(methyl isobutyl ketone), N-부틸 아세테이트(N-butyl acetate), 사이클로헥사논(cyclohexanone), 디아세톤 알코올(diacetone alcohol), 디이소부틸 케톤(diisobutyl ketone), 에틸아세토아세테이트(ethyl acetoacetate), 글리콜 에테르(glycol ether), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate), 디에틸카보네이드(diethyl carbonate), 탈이온수 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 물과 2-프로판올의 혼합물을 사용할 수 있다.The solvent may be an alcohol such as ethanol, isopropyl alcohol, ethyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), dimethylformamide ( dimethylformamide (DMF), dimethyl acetamide (DMA), tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, methyl ethyl ketone (MEK), tetramethylurea (tetramethylurea), trimethyl phosphate, butyrolactone, isophorone, carbitol acetate, methyl isobutyl ketone, N-butyl acetate acetate, cyclohexanone, diacetone alcohol, diisobutyl ketone, ethyl acetoacetate, glycol ether, propylene carbonate (propylene carbonate), ethylene carbonate (ethylene carbonate), dimethyl carbonate (dimethyl carbonate), diethyl carbonate (diethyl carbonate), deionized water and one or more selected from the group consisting of a mixture thereof may be used, more preferably It is possible to use a mixture of water and 2-propanol.

상기 용매는 상기 촉매층 형성용 조성물에 잔부의 양으로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 적절한 점도로 촉매층을 형성할 수 있도록 촉매층 형성용 조성물 총 중량에 대하여 20 내지 80 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 용매의 함량이 20 중량% 미만이면 점성이 저하되어 흐름성이 증가되므로 균일한 면적의 코팅에 바람직하지 않고, 80 중량%를 초과하면 점도가 높아 인쇄성이 저하되므로 바람직하지 않다.The solvent may be included in the amount of the balance in the composition for forming the catalyst layer, and preferably may be included in an amount of 20 to 80% by weight based on the total weight of the composition for forming the catalyst layer to form a catalyst layer with an appropriate viscosity. If the content of the solvent is less than 20% by weight, the viscosity is lowered and flowability is increased, and therefore, it is not preferable for coating of a uniform area, and if it is more than 80% by weight, the viscosity is high and the printability is not preferable.

상기 촉매층 형성용 조성물은 추가적으로 소포제(defoamer); 폴리포스페이트 (polyphosphates), 리그노술포네이트(lignosulfonates), 퀘브라초(quebracho)등의 수용성 고분자를 포함하는, 응집을 막기 위한 제제(deflocculant); 고착제와 같은 첨가물을 더 포함할 수 있다. 이들은 증점제와 마찬가지로 촉매층 제조시 산 처리 과정에서 모두 제거된다.The catalyst layer forming composition further comprises a defoamer; Deflocculants for preventing aggregation, including water-soluble polymers such as polyphosphates, lignosulfonates, quebracho, etc .; It may further include additives such as fixing agents. These, like the thickeners, are all removed during the acid treatment during catalyst layer preparation.

이후 제조된 촉매층 형성용 조성물을 기계 혼합 또는 초음파 혼합의 방법에 의해 균일하게 혼합할 수도 있다.Thereafter, the prepared composition for forming a catalyst layer may be uniformly mixed by mechanical mixing or ultrasonic mixing.

다음으로 상기 촉매층 형성용 조성물을 이형 필름의 일면에 소정의 패턴으로 도포하고 건조하여 촉매층을 형성한다. Next, the catalyst layer forming composition is applied to one surface of the release film in a predetermined pattern and dried to form a catalyst layer.

상기 이형 필름으로는 100 mm 내외의 두께를 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA) 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (Ethylene/ Tetrafluoroethylene(ETFE)) 등의 불소계 수지 필름; 또는 폴리이미드(Kapton®, DuPont 사제), 폴리에스테르(Mylar®, DuPont 사제)등의 비불소계 고분자 필름을 사용할 수 있다.Examples of the release film include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer having a thickness of about 100 mm. PFA) fluorine resin films such as ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE); Or polyimide (Kapton ® , Manufactured by DuPont), Polyester (Mylar ® , Non-fluorine polymer films, such as those manufactured by DuPont, can be used.

상기 촉매층의 패턴은 앞서 설명한 바와 같다.The pattern of the catalyst layer is as described above.

상기 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 및 슬롯다이(slot die)법으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 세퍼레이터의 유로와 동일 형상의 마스크(메쉬# 100 내지 300)를 사용한 스크린 프린팅 법을 적용할 수 있다.The coating process is a group consisting of a screen printing method, a spray coating method, a coating method using a doctor blade, a gravure coating method, a dip coating method, a silk screen method, a painting method, and a slot die method according to the viscosity of the composition. It may be carried out by the method selected from, but is not limited thereto. More preferably, the screen printing method using the mask (mesh # 100-300) of the same shape as the flow path of a separator can be applied.

이후 이형 필름에 형성된 촉매층을 고분자 전해질 막상에 위치시킨 후 100 내지 250℃ 및 300 내지 2000psi의 조건에서 열간 압연하여 고분자 전해질막에 전사한다. 보다 바람직하게는 130 내지 200 ℃ 및 500 내지 1500 psi 의 조건에서 열간 압연하여 전사할 수 있다. 상기 온도 및 압력범위 내에서는 촉매층의 전사가 원활하여 바람직하고, 상기 범위를 벗어나면 촉매층의 전사가 완전하지 않거나 촉매층이 지나치게 밀집된 구조를 가지므로 반응물의 유입 및 제거에 바람직하지 않다.Thereafter, the catalyst layer formed on the release film is placed on the polymer electrolyte membrane, and then hot rolled under the conditions of 100 to 250 ° C. and 300 to 2000 psi to transfer to the polymer electrolyte membrane. More preferably, it can be transferred by hot rolling under the conditions of 130 to 200 ° C and 500 to 1500 psi. Within the above temperature and pressure range, the catalyst layer is smoothly transferred, and if it is out of the above range, the catalyst layer is not completely transferred or the catalyst layer has an excessively dense structure.

상기 고분자 전해질 막은 앞서 설명한 바와 동일하며, 10 내지 200㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 고분자 전해질 막의 제조 방법은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.The polymer electrolyte membrane is the same as described above, and preferably has a thickness of 10 to 200㎛. Since the method for preparing the polymer electrolyte membrane is well known in the art, a detailed description thereof will be omitted.

이후 촉매층이 전사된 고분자 전해질막 (catalyst coated membrane)을 80 내지 100℃, 1 M 수용액 조건에서 1 시간 내외로 산 처리를 하고, 100℃ 탈이온수에서 1 시간 세척한다. 이때 산으로는 황산을 사용할 수 있다. 상기 조건을 벗어나면 촉매층내의 증점제 성분이 완전히 제거되지 않을 수 있으며, 잔존시 연료전지의 강력한 산화 환원 분위기에서 화학적으로 분해될 우려가 있어 바람직하지 않다. Thereafter, the catalyst layer transferred to the polymer electrolyte membrane (catalyst coated membrane) is subjected to an acid treatment for about 1 hour at 80 to 100 ℃, 1 M aqueous solution conditions, and washed with 100 ℃ deionized water for 1 hour. In this case, sulfuric acid may be used as the acid. If the above condition is exceeded, the thickener component in the catalyst layer may not be completely removed, and there is a risk of chemical decomposition in the strong redox atmosphere of the fuel cell when it remains.

산 처리 후 증점제를 포함한 모든 유기 성분은 제거되어, 촉매층에는 금속 촉매 및 바인더 수지만 존재한다. 상기 증점제는 비전도성이므로 산 처리 후 전기 저항이 보다 감소하게 되며, 또한 증점제 제거에 따라 촉매층내 미세기공이 형성되어, 촉매층의 조도 및 기공도가 증가하게 된다. After the acid treatment all organic components, including thickeners, are removed, so that only the metal catalyst and binder resin are present in the catalyst layer. Since the thickener is non-conductive, electrical resistance after acid treatment is further reduced, and micropores are formed in the catalyst layer as the thickener is removed, thereby increasing the roughness and porosity of the catalyst layer.

이후 상기 산 처리된 촉매 형성 고분자 전해질막 양면에 전극 기재를 결착하여 5층 막-전극 어셈블리를 제조한다.Thereafter, an electrode substrate is bonded to both surfaces of the acid-treated catalyst-forming polymer electrolyte membrane to prepare a 5-layer membrane-electrode assembly.

상기 전극 기재는 앞서 설명한 바와 동일하며, 고분자 전해질 막에 전극기재를 결착하는 방법은 촉매층의 전사 온도 및 압력과 동일하며 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.The electrode substrate is the same as described above, and the method of binding the electrode substrate to the polymer electrolyte membrane is the same as the transfer temperature and pressure of the catalyst layer and is well known in the art, and thus detailed description thereof will be omitted.

상기와 같이 하여 제조된 연료 전지용 막-전극 어셈블리는, 소정의 패턴으로 형성된 촉매층을 포함함으로써 감소된 촉매 로딩량으로도 우수한 전지 출력을 나타낸다. 또한 촉매층 형성시 사용된 증점제로 인해 고분자 전해질 막으로의 용매 침투에 따른 고분자 전해질 막의 팽윤이 방지되어 개선된 전지의 수명 특성을 나타낸다. 또한 촉매층내 미세기공이 형성되어 있어, 반응물의 유속(flow speed)을 증가시킬 수 있으며, CO2 와 같은 반응 생성물의 배출이 용이하다. 또한 상기 미세기공 형성에 따른 촉매층의 반응 표면적의 증가로 촉매 활성을 증가시킬 수 있다. The membrane-electrode assembly for a fuel cell prepared as described above exhibits excellent cell output even with a reduced catalyst loading by including a catalyst layer formed in a predetermined pattern. In addition, the thickener used in the formation of the catalyst layer prevents the swelling of the polymer electrolyte membrane due to solvent penetration into the polymer electrolyte membrane, thereby improving the life characteristics of the battery. In addition, since the micropores in the catalyst layer are formed, it is possible to increase the flow speed (flow speed) of the reactants, it is easy to discharge the reaction product, such as CO 2 . In addition, the catalytic activity may be increased by increasing the reaction surface area of the catalyst layer due to the formation of the micropores.

본 발명의 예시적인 제3실시예에 따르면, 상기 구성을 갖는 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.According to a third exemplary embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell system including the membrane-electrode assembly having the above configuration.

상기 연료전지 시스템은 상기 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 존재하는 세퍼레이터를 포함하는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함한다.The fuel cell system includes at least one electricity generating unit including separators on both sides of the membrane-electrode assembly and the membrane-electrode assembly, and generates a fuel supply unit and an oxidant to supply fuel to the electricity generating unit. And an oxidant supply unit for supplying to the unit.

상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리를 포함하고, 세퍼레이터(바이폴라 플 레이트라고도 함)를 포함하며, 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating unit includes a membrane-electrode assembly, a separator (also called a bipolar plate), and serves to generate electricity through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant.

상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함한다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant such as oxygen or air to the electricity generation unit. Fuels in the present invention include hydrogen or hydrocarbon fuels in gas or liquid state. Representative examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않고, 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.A schematic structure of the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. 1, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 1 shows a system for supplying fuel and oxidant to an electric generator by using a pump, the fuel cell system of the present invention is not limited to such a structure, and does not use a pump, but uses a fuel diffusion method. Of course, it can also be used in the battery system structure.

본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(19)를 갖는 스택(7)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(1)와, 산화제를 상기 전기 발생부(19)로 공급하는 산화제 공급부(5)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 100 of the present invention includes a stack 7 having at least one electricity generator 19 for generating electrical energy through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, and a fuel supply unit for supplying the fuel. (1) and the oxidant supply part 5 which supplies an oxidant to the said electricity generating part 19 is comprised.

또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(1)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9)를 구비한다. In addition, the fuel supply unit 1 for supplying the fuel has a fuel tank 9 for storing fuel.

상기 스택(7)의 전기 발생부(19)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(5)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비할 수 있다.The oxidant supply unit 5 for supplying the oxidant to the electricity generating unit 19 of the stack 7 may include at least one oxidant pump 13 for sucking the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(19)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(21)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(바이폴라 플레이트)(23,25)로 구성된다.The electricity generating unit 19 is a membrane-electrode assembly 21 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant and a separator (bipolar plates) 23 and 25 for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly. It consists of.

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

(실시예 1)(Example 1)

Pt 블랙(Hispec® 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙(Hispec® 6000, Johnson Matthey사제)의 촉매 3.0g에 탈이온수 4.0g을 각각 적하하여 촉매입자를 수분으로 웨팅(wetting)하였다. 상기 촉매에 10wt% 나피온(Nafion®, Dupont사제) 수계 분산액 4.5g을 적하한 후 기계적으로 교반하고 1M TBAOH/메탄올 용액 0.5g과 디프로필렌글리콜 4.0g을 첨가하여 30분 간격으로 기계적 교반과 초음파 교반을 3회 반복한 후 12시간 동안 자석 교반기를 이용하여 기계적으로 더욱 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다.3.0 g of deionized water was added dropwise to 3.0 g of a catalyst of Pt black (Hispec ® 1000, manufactured by Johnson Matthey) and Pt / Ru black (Hispec ® 6000, manufactured by Johnson Matthey), and the catalyst particles were wetted with water. The catalyst 10wt% Nafion (Nafion ®, Dupont Co.) aqueous dispersion was added dropwise to 4.5g and stirred mechanically and 1M TBAOH / methanol solution was added to 0.5g and 4.0g of dipropylene glycol mechanical stirring at 30-minute intervals and ultrasound After the stirring was repeated three times, the mixture was further mechanically stirred using a magnetic stirrer for 12 hours to prepare a composition for forming a catalyst layer.

상기 촉매층 형성용 조성물을 세퍼레이터의 유로채널 패턴과 일치하는 150 메쉬의 스테인레스 스틸 마스크(stainless steel mask)를 이용하여 두께 50mm의 테플론(Teflon) 필름상에 두께 100 mm 내외로 코팅하였다. 이때 전체 5×5 cm2중 코팅 층이 존재하지 않는 무지부는 40% 이다. 촉매층이 코팅된 테플론 필름을 질소 분위기의 80℃ 건조로에서 6시간 동안 건조하여 용매를 증발시킨 후, 소듐형 나피온(sodium-form Nafion 115)의 고분자 전해질막상 양면에 촉매층을 정렬한 후 200℃의 온도와 500 psi의 압력을 3분간 인가하여 촉매층을 고분자 전해질막에 전사하였다. The composition for forming the catalyst layer was coated with a thickness of about 100 mm on a Teflon film having a thickness of 50 mm using a 150 mesh stainless steel mask that matches the flow channel pattern of the separator. In this case, 40% of the non-coated portion of the coating layer does not exist among the total 5 × 5 cm 2 . After drying the catalyst layer-coated Teflon film for 6 hours in an 80 ° C. drying furnace in a nitrogen atmosphere, the solvent was evaporated, the catalyst layers were aligned on both sides of the polymer electrolyte membrane of sodium-form Nafion 115, and then 200 ° C. The catalyst layer was transferred to the polymer electrolyte membrane by applying a temperature and a pressure of 500 psi for 3 minutes.

상기 촉매층이 형성된 고분자 전해질막을 100 ℃의 1M 황산 용액에서 1시간 처리하여 촉매층과 전해질막의 나피온을 프로톤형(proton-form)으로 전환하면서 촉매층내의 유기성분을 추출하였다. 마지막으로 황산처리된 고분자 전해질막을 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하였다. 애노드 전극 및 캐소드 전극의 백금 촉매 로딩량은 각각 2 mg/cm2로 조절하였다.The polymer electrolyte membrane in which the catalyst layer was formed was treated for 1 hour in a 1 M sulfuric acid solution at 100 ° C., and the organic components in the catalyst layer were extracted while converting the Nafion of the catalyst layer and the electrolyte membrane into a proton-form. Finally, the sulfated polymer electrolyte membrane was washed in deionized water at 100 ° C. for 1 hour. The platinum catalyst loading of the anode electrode and the cathode electrode was adjusted to 2 mg / cm 2 , respectively.

상기 제조된 막-전극 어셈블리에 전극 기재로 10% 발수처리된 TGPH090 탄소지 일면에 미세 기공이 형성되어 있는 E-Tek사의 촉매층 미포함 ELAT 기체확산체를 물리적으로 접착하고, 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 25 cm2 단위 전지를 제조하였다. The membrane-electrode assembly was physically bonded with E-Tek's catalyst layer-free ELAT gas diffusion body having fine pores formed on one surface of TGPH090 carbon paper treated with 10% water repellency as an electrode substrate, and between two gaskets. After the insertion, the separator was inserted into two separators in which a gas channel channel and a cooling channel were formed, and pressed between copper end plates to prepare a 25 cm 2 unit cell.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

촉매층 형성용 조성물을 무지부 없이 5 x 5 cm2로 제조하여 애노드 및 캐소드의 촉매 로딩량을 각각 4 mg/cm2로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일 하게 실시하여 단위 전지를 제조하였다. A unit cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the composition for forming a catalyst layer was prepared at 5 × 5 cm 2 without a solid portion, and the catalyst loading amounts of the anode and the cathode were adjusted to 4 mg / cm 2 , respectively. It was.

상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지에 대하여 1 M 메탄올과 건조 공기(dry air)를 화학량론(stoichiometry)적으로 3.0의 조건으로 유입한 상태에서 전지 온도 60℃에서 단위 전지의 전압 및 출력 밀도를 측정하였다.For the fuel cells prepared according to Example 1 and Comparative Example 1, 1 M methanol and dry air were stoichiometry introduced at a condition of 3.0. Voltage and power density were measured.

또한 0.2A/cm2의 정전류를 걸어주고 구동 시간에 따른 전압변화를 관찰하였다. 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.In addition, a constant current of 0.2 A / cm 2 was applied and the voltage change was observed according to the driving time. The results are shown in FIGS. 2 and 3.

도 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 전류밀도에 따른 연료전지의 전압 및 출력변화를 나타낸 그래프로, 상기 그래프에서 ○ 및 ●는 실시예 1, △ 및 ▲는 비교예 1의 연료전지에 대한 결과이다. 또한, 도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료전지의 운전시간에 따른 전압변화를 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the voltage and output change of the fuel cell according to the current density according to Example 1 and Comparative Example 1, wherein ○ and ● are the fuel cell of Comparative Example 1 Results. In addition, Figure 3 is a graph showing the voltage change according to the operating time of the fuel cell according to Example 1 and Comparative Example 1.

도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 연료전지는 비교예 1이 비하여 전압 및 출력밀도가 더 높음을 확인할 수 있다. 실시예 1의 연료전지에서의 촉매로딩량은 비교예 1의 연료전지의 촉매로딩량의 50%에 해당하는 것으로, 이로부터 본원 발명에 따른 연료전지는 감소된 촉매 로딩량으로도 우수한 출력밀도를 나타냄을 알 수 있다. As shown in Figure 2, the fuel cell of Example 1 according to the present invention can be confirmed that the voltage and output density is higher than that of Comparative Example 1. The amount of catalyst loading in the fuel cell of Example 1 corresponds to 50% of the amount of catalyst loading in the fuel cell of Comparative Example 1. From this, the fuel cell according to the present invention has excellent power density even with a reduced amount of catalyst loading. It can be seen that.

또한 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 연료전지는 초기 전압은 비교예 1의 연료전지에 비해 약간 낮으나, 운전시간이 경과됨에 따른 전압 변화율은 더 작아 비교예 1의 연료전지보다 더 안정적이며, 우수한 수명특성을 가짐을 확인할 수 있었다. In addition, as shown in Figure 3, the fuel cell of Example 1 according to the present invention, the initial voltage is slightly lower than the fuel cell of Comparative Example 1, but the change rate of the voltage as the operating time is smaller, the fuel cell of Comparative Example 1 It was found to be more stable and have excellent life characteristics.

본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리는, 감소된 촉매 로딩량으로도 우수한 전지 출력을 나타낼 수 있으며, 전지의 수명 특성을 개선시킬 수 있다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention can exhibit excellent cell output even with a reduced catalyst loading, and can improve the life characteristics of the cell.

Claims (21)

서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하며, It includes a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극중 적어도 하나는, At least one of the anode electrode and the cathode electrode, 전극 기재, 및 An electrode substrate, and 상기 전극 기재와 고분자 전해질막 사이에 위치하며, 소정의 패턴으로 형성되는 촉매층Located between the electrode substrate and the polymer electrolyte membrane, the catalyst layer formed in a predetermined pattern 을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.Membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매층의 패턴은 세퍼레이터의 유로 형상에 대응하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The pattern of the catalyst layer corresponds to the shape of the flow path of the separator membrane-electrode assembly for a fuel cell. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 세퍼레이터의 유로 형상은 채널 형상 또는 아일랜드 형상인 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The flow path of the separator is a channel-shaped or island-shaped membrane-electrode assembly for a fuel cell. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매층의 패턴은 단일 채널 형상을 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The pattern of the catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly having a single channel shape. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매층의 패턴은 세퍼레이터의 유로 채널 폭에 비해 1 내지 2mm 더 넓은 폭을 갖는 채널 형상을 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The pattern of the catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly having a channel shape having a width of 1 to 2mm wider than the channel width of the separator. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 촉매층은 촉매층 총 부피에 대하여 10 내지 90부피%의 기공도를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리. The catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly having a porosity of 10 to 90% by volume relative to the total volume of the catalyst layer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매층은 금속 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly comprising a metal catalyst and a binder resin. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, W, Mo, Rh, Sn 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리. The metal catalyst may be platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M = Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, At least one metal selected from the group consisting of W, Mo, Rh, Sn, and Zn). 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속 촉매는 촉매층 총 중량에 대하여 20 내지 95중량%로 포함되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.Wherein the metal catalyst is a fuel cell membrane-electrode assembly that is contained in 20 to 95% by weight based on the total weight of the catalyst layer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 바인더 수지는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖는 고분자 수지를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The binder resin is a fuel cell membrane-electrode assembly comprising a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 바인더 수지는 촉매층 총 중량에 대하여 3 내지 50중량%로 포함되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The binder resin is a fuel cell membrane-electrode assembly that is contained in 3 to 50% by weight based on the total weight of the catalyst layer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막은 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖는 고분자 수지를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.Wherein the polymer electrolyte membrane comprises a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막은 측쇄 말단의 이온 교환기 -SO3X에서, X가 나트륨, 칼륨 및 세슘으로 이루어진 군에서 선택된 1가 이온; 또는 테트라부틸암모니움 이온으로 치환된 퍼플루오로 술폰산인 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The polymer electrolyte membrane may include a monovalent ion selected from the group consisting of sodium, potassium and cesium in an ion exchange group -SO 3 X at the side chain terminal; Or perfluoro sulfonic acid substituted with tetrabutylammonium ions. 금속 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 이용하여 고분자 전해질 막에 소정의 패턴으로 촉매층을 형성한 후 전극기재를 결착시키는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.A method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising: forming a catalyst layer on a polymer electrolyte membrane in a predetermined pattern by using a composition for forming a catalyst layer including a metal catalyst and a binder resin and then binding the electrode substrate. 제 14 항에 있어서, The method of claim 14, 상기 제조 방법은The manufacturing method 증점제, 금속 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 제조하는 단계;Preparing a composition for forming a catalyst layer comprising a thickener, a metal catalyst and a binder resin; 상기 촉매층 형성용 조성물을 이형 필름의 일면에 소정의 패턴으로 도포하여 촉매층을 형성하는 단계;Forming a catalyst layer by applying the catalyst layer forming composition to a surface of a release film in a predetermined pattern; 상기 촉매층을 고분자 전해질막에 전사하는 단계; Transferring the catalyst layer to a polymer electrolyte membrane; 상기 촉매층이 전사된 고분자 전해질막을 산 처리하는 단계; 및Acid treating the polymer electrolyte membrane to which the catalyst layer is transferred; And 상기 산 처리된 고분자 전해질막에 전극 기재를 결착하는 단계 Binding an electrode substrate to the acid-treated polymer electrolyte membrane 를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.Method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a. 제 15 항에 있어서, The method of claim 15, 상기 촉매층 형성용 조성물은 조성물 총 중량에 대하여 증점제 10 내지 35중량%, 금속 촉매 10 내지 35중량% 및 바인더 수지 30 내지 80중량%를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The composition for forming a catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly manufacturing method comprising a thickener 10 to 35% by weight, a metal catalyst 10 to 35% by weight and a binder resin 30 to 80% by weight based on the total weight of the composition. 제 15 항에 있어서, The method of claim 15, 상기 촉매층 형성용 조성물은 1000 내지 100,000cps의 점도를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The catalyst layer forming composition is a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell having a viscosity of 1000 to 100,000cps. 제 15 항에 있어서, The method of claim 15, 상기 증점제는 글리세롤, 글리세린, 디프로필렌글리콜, 메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리에테르폴리머, 크리소타일 아스베스토스, 폴리아미드 폴리머 및 카보폴로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The thickener is glycerol, glycerin, dipropylene glycol, methyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl ethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, polyether polymer, chrysotile asbestos, poly A method of producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising at least one selected from the group consisting of amide polymers and carbopol. 제 15 항에 있어서, The method of claim 15, 상기 이형 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼르플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 에틸렌/테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드 및 폴리에스테르로 이루어진 군에 서 선택되는 고분자 필름인 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The release film is composed of polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinylether copolymer, ethylene / tetrafluoroethylene, polyimide and polyester Method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell that is a polymer film selected from the group. 제 15 항에 있어서, The method of claim 15, 상기 전사 공정은 100 내지 250℃ 및 300 내지 2000psi로 열간 압연하여 실시되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The transfer process is a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell that is carried out by hot rolling at 100 to 250 ℃ and 300 to 2000 psi. 제1항 내지 제13항중 어느 한 항에 따른 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;14. A membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 13 and separators located on both sides of the membrane-electrode assembly, wherein at least one electricity generation generates electricity through an electrochemical reaction of fuel and oxidant. part; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부Oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generating unit 를 포함하는 연료 전지 시스템.Fuel cell system comprising a.
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JP2019185960A (en) * 2018-04-05 2019-10-24 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh Catalyst for fuel cell and method of manufacturing the same

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JP2019185960A (en) * 2018-04-05 2019-10-24 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh Catalyst for fuel cell and method of manufacturing the same

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