KR20070109233A - Membrane electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same - Google Patents

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Abstract

A membrane electrode assembly for a fuel cell is provided to facilitate supply of fuel and discharge of a reaction product, thereby improving an output characteristic of a fuel cell. A membrane electrode assembly(131) for a fuel cell includes: an anode electrode and a cathode electrode(20,20') which are located to face each other; and a polymeric electrolyte membrane(70) placed between the anode electrode and cathode electrode. At least one of the anode electrode and cathode electrode comprises an electrode substrate(60,60') and a catalytic layer(50,50') placed on the electrode substrate. The catalytic layer includes: a first catalytic layer(30,30') which is placed on the electrode substrate and comprises a hydrophobic polymer and a metal catalyst; and a second layer(40.40') which is placed on the first catalytic layer and comprises a metal catalyst.

Description

연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}Membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell system including the same {MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면이고, 1 is a view schematically showing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention,

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a view schematically showing a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 공급 및 반응 생성물의 배출을 원활하게 할 수 있고, 이에 따라 연료 전지의 출력 특성을 개선시킬 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane-electrode assembly for a fuel cell, and a fuel cell system including the same, and more particularly, to smoothly supply fuel and discharge a reaction product, thereby improving output characteristics of the fuel cell. A membrane-electrode assembly for a fuel cell, and a fuel cell system comprising the same.

[종래 기술][Prior art]

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

연료 전지 시스템의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Cell) 및 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)가 있다. 또한, 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우를 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다. Representative examples of the fuel cell system include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). In addition, the case of using methanol as fuel in the direct oxidation fuel cell is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

상기 고분자 전해질형 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 높고, 상온에서 작동이 가능하며 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신 장비의 휴대용 전원, 군사용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용이 가능하다. 상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 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 is a clean energy source that can replace fossil energy, and has high power density and energy conversion efficiency, can be operated at room temperature, and can be miniaturized and encapsulated. It can be widely used in fields such as portable power supply and military equipment. The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density, but requires attention to handling hydrogen gas and a unit such as a fuel reformer for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem requiring equipment.

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮으며 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 특성에 기인하여, 소형 및 범용 이동용 전원으로서 적합한 시스템으로 인정되고 있다.In contrast, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but is easy to handle fuel, has a low operating temperature, and is particularly suitable as a compact and general purpose mobile power source due to the fact that no fuel reforming device is required. It is recognized as a system.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate))로 이루어진 단위 셀(이하, "전기 발생부"라 함)이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가진다.In such a fuel cell system, a substantially generating stack is a unit cell (hereinafter referred to as "electric generation") consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (or bipolar plate). Sub- ") are stacked to several tens. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") with a polymer electrolyte membrane including a hydrogen ion conductive polymer therebetween. Has a bonded structure.

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어 수소이온 및 전자를 발생시키며, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 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, and the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons, and the generated electrons are an anode cathode according to an external circuit. Reaching the electrode, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode electrode. 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 producing water.

본 발명의 목적은 연료 공급 및 반응 생성물의 배출을 원활하게 할 수 있으며, 이에 따라 연료전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell membrane-electrode assembly capable of smoothly supplying fuel and discharging reaction products, thereby improving output characteristics of the fuel cell.

본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly for fuel cells.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 전극 기재와 상기 전극 기재 위에 위치하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다. 이때 상기 촉매층은 전극 기재 위에 위치하며, 소수성 고분자 및 금속촉매를 포함하는 제1촉매층, 및 상기 제1촉매층 위에 위치하며 금속촉매를 포함하는 제2촉매층을 포함하는 것이 바람직하다.The present invention, in order to achieve the above object, the present invention includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, at least one of the anode electrode and the cathode electrode Provides a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising an electrode substrate and a catalyst layer positioned on the electrode substrate. At this time, the catalyst layer is located on the electrode substrate, it is preferable to include a first catalyst layer containing a hydrophobic polymer and a metal catalyst, and a second catalyst layer located on the first catalyst layer and including a metal catalyst.

본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리, 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부, 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.The invention also includes a membrane electrode assembly, and separators located on both sides of the membrane electrode assembly, at least one electricity generating unit for generating electricity through the electrochemical reaction of the fuel and the oxidant, the fuel to the electricity A fuel cell system includes a fuel supply unit for supplying a generator, and an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generator.

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

일반적으로 막-전극 어셈블리의 촉매층은 금속 촉매와 바인더를 용매에 분산시킨 조성물을 전극 기재나 고분자 전해질 막에 도포하여 형성한다. 이러한 촉매층내 존재하는 기공은 전극 촉매의 활성을 증진시키고, 연료 또는 산화제를 공급하며 또한 반응 생성물을 배출시키는 역할을 한다. In general, the catalyst layer of the membrane-electrode assembly is formed by applying a composition in which a metal catalyst and a binder are dispersed in a solvent to an electrode substrate or a polymer electrolyte membrane. The pores present in this catalyst layer serve to enhance the activity of the electrode catalyst, to supply fuel or oxidant and to discharge the reaction product.

그러나 이와 같은 촉매층에서의 반응 생성물의 배출 기능이 원활하지 않게 되면, 연료 또는 산화제 등의 반응물의 공급이 어려워지게 되고 이에 따라 연료전지의 출력 특성이 저하되는 문제점이 있었다. However, when the discharge function of the reaction product in the catalyst layer is not smooth, it becomes difficult to supply the reactants such as fuel or oxidant, thereby reducing the output characteristics of the fuel cell.

이에 대하여, 본 발명에서는 반응물 공급 및 반응 생성물의 배출이 활발히 일어나는 전극 기재에 접하는 부분에는 소수성의 제1촉매층을, 촉매층내에서도 상대적으로 촉매반응이 보다 활발히 일어나는 고분자 전해질 막에 접하는 부분에는 제1촉매층에 비해 보다 높은 함량으로 금속 촉매를 포함하는 제2촉매층을 형성함으로써 촉매층내 연료 공급 및 반응 생성물의 배출을 원할하게 하고, 촉매 활성을 증가시키며, 결과 따라 연료전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다.In contrast, in the present invention, the hydrophobic first catalyst layer is in contact with the electrode substrate where the reactant supply and the reaction product are actively discharged, and the first catalyst layer is in contact with the polymer electrolyte membrane in which the catalytic reaction occurs more actively in the catalyst layer. By forming a second catalyst layer containing a metal catalyst in a higher content than that, it is possible to smooth the fuel supply and the discharge of the reaction product in the catalyst layer, increase the catalytic activity, and as a result, improve the output characteristics of the fuel cell.

도 1은 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1에 나타낸 구조는 이층 구조를 갖는 촉매층이 애노드 전극 및 캐소드 전극의 양측 모두에 형성되어 있으나, 본 발명의 막-전극 어셈블리가 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 상기 이층 구조의 촉매층이 애노드 전극 및 캐소드 전극중 어느 하나에만 형성될 수도 있음은 당연한 일이다.1 is a schematic cross-sectional view of a membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention. Although the structure shown in FIG. 1 has a two-layered catalyst layer formed on both sides of the anode electrode and the cathode electrode, the membrane-electrode assembly of the present invention is not limited to such a structure, and the catalyst layer of the two-layer structure includes an anode electrode and Of course, it may be formed only on any one of the cathode electrode.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(131)는 고분자 전해질막(70) 및 상기 고분자 전해질막(70)의 양면에 각각 배치되는 상기 연료 전지용 전극(20, 20')을 포함한다. 상기 전극(20, 20')은 전극 기재(60, 60')과 상기 전극 기재 표면에 형성된 촉매층(50, 50')을 포함한다.Referring to FIG. 1, the membrane-electrode assembly 131 according to the exemplary embodiment of the present invention may include the polymer electrolyte membrane 70 and the fuel cell electrodes 20 and 20 disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 70, respectively. Include '). The electrodes 20 and 20 'include electrode substrates 60 and 60' and catalyst layers 50 and 50 'formed on the surface of the electrode substrate.

상기 막-전극 어셈블리(131)에서, 고분자 전해질막(70)의 일면에 배치되는 전극(20)을 애노드 전극(또는 캐소드 전극)이라 하고, 다른 일면에 배치되는 전극(20')을 캐소드 전극(또는 애노드 전극)이라 한다. 애노드 전극(20)은 전극 기재(60)를 지나 촉매층(50)으로 전달된 연료로부터 수소이온과 전자를 생성시키는 산화반응을 일으키고, 고분자 전해질막(70)은 상기 애노드 전극(20)에서 발생한 수소이온을 캐소드 전극(20')으로 이동시키며, 캐소드 전극(20')은 상기 고분자 전해질막(70)을 통해 공급받은 수소이온과 전극 기재(60')를 지나 촉매층(50')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원반응을 일으킨다.In the membrane-electrode assembly 131, an electrode 20 disposed on one surface of the polymer electrolyte membrane 70 is called an anode electrode (or a cathode electrode), and an electrode 20 ′ disposed on the other surface is called a cathode electrode ( Or anode electrode). The anode electrode 20 causes an oxidation reaction to generate hydrogen ions and electrons from the fuel delivered through the electrode substrate 60 to the catalyst layer 50, and the polymer electrolyte membrane 70 generates hydrogen generated at the anode electrode 20. Ions are moved to the cathode electrode 20 ', and the cathode electrode 20' is the hydrogen ions supplied through the polymer electrolyte membrane 70 and the oxidant transferred to the catalyst layer 50 'through the electrode substrate 60'. Causes a reduction reaction to produce water.

상기 촉매층(50, 50')은 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 것으로, 제1촉매층(30, 30')과 제2촉매층(40, 40')을 포함한다.The catalyst layers 50 and 50 'catalyze the related reaction (oxidation of fuel and reduction of oxidant), and include a first catalyst layer 30 and 30' and a second catalyst layer 40 and 40 '. .

상기 제1촉매층(30, 30')는 전극 기재(60,60') 위에 형성되며, 소수성 고분자 및 금속촉매를 포함한다.The first catalyst layers 30 and 30 'are formed on the electrode substrates 60 and 60' and include a hydrophobic polymer and a metal catalyst.

상기 소수성 고분자는 입자 형태로 포함되어 제1촉매층 내에서 기공을 형성하고, 소수성 고분자에 의해 형성된 기공은 연료의 공급 및 제1촉매층내에서 생성된 반응 생성물인 기체상의 이산화탄소 배출을 용이하게 하는 역할을 한다. 이와 같은 소수성 고분자로는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene), 플루오로에틸렌 폴리머, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르 등의 불소계 고분자; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소프렌, 폴리에틸렌프로필렌, 폴리부타디엔 등의 폴리올레핀계 고분자; 폴리스티렌, 폴리알파메틸스티렌 등의 벤젠기 함유 고분자; 또는 이들의 공중합체 등을 사용할 수 있다.The hydrophobic polymer is included in the form of particles to form pores in the first catalyst layer, the pores formed by the hydrophobic polymer serves to facilitate the supply of fuel and the emission of gaseous carbon dioxide which is a reaction product generated in the first catalyst layer. do. Such hydrophobic polymers include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene, fluoroethylene polymer, polyhexafluoropropylene, Fluorine-based polymers such as polyperfluoroalkyl vinyl ether and polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether; Polyolefin-based polymers such as polyethylene, polypropylene, polyisoprene, polyethylenepropylene, and polybutadiene; Benzene group-containing polymers such as polystyrene and polyalphamethylstyrene; Or these copolymers etc. can be used.

상기 소수성 고분자는 금속 촉매와 함께 촉매층내 최적의 크기를 갖는 기공을 형성할 수 있도록 입자의 형태로 포함되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 상기 소수성 고분자 입자는 10 내지 100nm의 평균 입자 직경을 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 내지 50nm의 평균 입자 직경을 가질 수 있다. 상기 소수성 고분자의 평균 입자 직경이 10nm 미만이면 소수성 기공 형성이 어려워 바람직 하지 않고, 100nm를 초과하면 전자 전달 저항이 커져 바람직하지 않다.The hydrophobic polymer is preferably included in the form of particles so as to form pores having an optimal size in the catalyst layer together with the metal catalyst. Specifically, the hydrophobic polymer particles preferably have an average particle diameter of 10 to 100 nm, more preferably may have an average particle diameter of 10 to 50 nm. If the average particle diameter of the hydrophobic polymer is less than 10 nm, it is not preferable to form hydrophobic pores, and if it exceeds 100 nm, the electron transfer resistance is large, which is not preferable.

또한 상기 금속 촉매로는 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 이와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극은 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극 촉매로는 보다 바람직하다. 구체적인 예로는 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. In addition, the metal catalyst may participate in the reaction of a fuel cell as a catalyst, and any one that can be used as a catalyst may be used, and a platinum-based catalyst may be used as a representative example. The platinum-based catalyst may be platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Transition metals selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, and combinations thereof). As described above, the anode electrode and the cathode electrode may use the same material, but in order to prevent the catalyst poisoning caused by CO generated during the anode electrode reaction in the direct oxidation fuel cell, a platinum-ruthenium alloy catalyst is used as the anode. It is more preferable as an electrode catalyst. Specific examples include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / Ru One or more selected from the group consisting of / 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 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다. 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, carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs or activated carbon may be used, or alumina, silica, zirconia, Inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기 제1촉매층(30, 30')은 상기 소수성 고분자와 금속 촉매를 10:90 내지 60:40의 중량비로 포함하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 20:80 내지 50:50의 중량비로 포함될 수 있다. 소수성 고분자와 금속 촉매의 혼합 중량비가 상기 범위 내에서는 소수성 기공 형성이 용이하여 바람직하고, 상기 범위를 벗어날 경우 전자 전달 저항이 커지게 될 우려가 있어 바람직하지 않다.The first catalyst layers 30 and 30 'may include the hydrophobic polymer and the metal catalyst in a weight ratio of 10:90 to 60:40, and more preferably 20:80 to 50:50. have. The mixing weight ratio of the hydrophobic polymer and the metal catalyst is preferably within the above range because it is easy to form hydrophobic pores, and if it is out of the above range, the electron transfer resistance may increase, which is not preferable.

상기 제1촉매층(30, 30')은 또한 제1촉매층내에서 도전 네트워크의 형성으로 촉매 표면 반응에 의해 생성된 전자를 용이하게 이동시킴으로써 전기 전도성을 향상시키고, 촉매층내 기공을 확보하여 연료 공급 및 반응 생성물의 배출 등 물질 이동(mass transfer)을 원할하게 할 수 있도록 탄소계 물질을 더 포함할 수도 있다.The first catalyst layer (30, 30 ') also improves the electrical conductivity by easily moving the electrons generated by the catalyst surface reaction by the formation of a conductive network in the first catalyst layer, to secure the pores in the catalyst layer to supply fuel and Carbonaceous materials may be further included to facilitate mass transfer such as discharge of reaction products.

상기 탄소계 물질은 1이상의 종횡비를 갖는 것이 바람직한데, 구체적으로 카본 파이버, 카본 나노 튜브, 카본 나노 노드, 기상 성장 카본 파이버(Vapor Grown Carbon Fiber: VGCF), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 전자전도성 대비 경비면에서 경쟁력이 있다는 점에서 보다 바람직하게는 기상 성장 카본 파이버를 사용할 수 있다.The carbon-based material preferably has an aspect ratio of at least one, specifically, selected from the group consisting of carbon fiber, carbon nanotube, carbon nanonode, vapor grown carbon fiber (VGCF), and combinations thereof. It can be used, more preferably in terms of cost competitiveness compared to electronic conductivity can be used vapor-grown carbon fiber.

또한 상기 제1촉매층(30, 30')은 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. In addition, the first catalyst layers 30 and 30 ′ may further include a binder resin to improve adhesion of the catalyst layer and transfer hydrogen ions.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술 파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. It is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder resin, more preferably 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. Any polymer resin which has can be used. Preferably, a fluoropolymer, 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 hydrogen ion conductive polymers selected from ether ketone polymers or polyphenylquinoxaline polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene with fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole One containing one or more hydrogen ion conductive polymers selected from (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole) may be used. .

상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다. The hydrogen ion conductive polymer may replace H with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in an ion exchange group at the side chain end. In case of replacing H by Na in the ion-exchange group of the side chain terminal, NaOH is substituted in the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is used in the case of using tetrabutylammonium, and K, Li or Cs is also substituted with appropriate compounds. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 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 compound 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 화합물로는 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에 틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 공중합체(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다. Examples of the non-conductive compound include tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE). )), Ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dodecylbenzenesulfonic acid and sorbitol (Sorbitol) At least one selected from the group consisting of more preferred.

상기 바인더 수지는 금속 촉매 100중량부에 대하여 10 내지 30중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15 내지 25 중량부로 포함될 수 있다. 금속 촉매의 함량이 10중량부 미만일 경우 이온 전달력이 부족하고 촉매의 바인딩 역할을 할 수 없어 바람직하지 않고, 30중량부를 초과할 경우 촉매의 반응면적을 감소시켜 바람직하지 않다. The binder resin is preferably included in 10 to 30 parts by weight, more preferably 15 to 25 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the metal catalyst. When the content of the metal catalyst is less than 10 parts by weight, it is not preferable because the ion transfer force is insufficient and cannot act as a binding of the catalyst, and when the content of the metal catalyst exceeds 30 parts by weight, the reaction area of the catalyst is reduced.

상기와 같은 구성을 갖는 제1촉매층(30, 30') 위에는 금속 촉매를 포함하는 제2촉매층(40, 40')이 형성된다. 상기 제2촉매층(40, 40')은 소수성 고분자를 포함하는 제1촉매층(30, 30')에 비해 상대적으로 친수성을 나타낼 수도 있고, 또한 친수성의 고분자를 더 포함하여 친수성을 나타낼 수도 있다.The second catalyst layers 40 and 40 'including the metal catalyst are formed on the first catalyst layers 30 and 30' having the above configuration. The second catalyst layers 40 and 40 'may exhibit relatively hydrophilicity as compared to the first catalyst layers 30 and 30' including hydrophobic polymers, and may further include hydrophilic polymers to show hydrophilicity.

상기 금속 촉매는 앞서 설명한 바와 동일하다. 다만 상기 제2촉매층(40, 40')내에 포함되는 금속촉매는 보다 높은 촉매반응이 일어날 수 있도록 제1촉매층에 비해 큰 함량으로 포함되는 것이 바람직하다. The metal catalyst is the same as described above. However, the metal catalyst included in the second catalyst layers 40 and 40 ′ is preferably included in a larger amount than the first catalyst layer so that a higher catalytic reaction may occur.

상기 친수성 고분자로는 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리(메틸렌 옥사이드) 또는 이들의 공중합체 등의 폴리에테르 계열 고분자, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트-폴리비닐알코올 공중합체, 폴리(히드록시 메틸아크릴레이트), 폴리(히드록시에틸아크릴레이트), 폴리(히드록시에틸메타크릴레이트) 등의 히드록시기를 갖는 고분자, 폴리아크릴아마이드, 폴리메타크릴아마이드 등의 아크릴아마이드계의 고분자 또는 셀룰로스, 메틸셀룰로스, 카르복실레이트메틸렌셀룰로스 등의 셀룰로스계 고분자, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산 등 폴리카르복실산계 고분자, 폴리스티렌술폰산, 폴리아크릴아미도프로필술폰산 등 폴리술폰산 등의 고분자를 사용할 수 있다.Examples of the hydrophilic polymer include polyether polymers such as poly (ethylene oxide), polypropylene oxide, poly (methylene oxide), or copolymers thereof, polyvinyl alcohol, polyvinylacetate-polyvinyl alcohol copolymer, and poly (hydroxy Polymers having hydroxy groups such as methyl acrylate), poly (hydroxyethyl acrylate), poly (hydroxyethyl methacrylate), acrylamide-based polymers such as polyacrylamide, polymethacrylamide, cellulose, methylcellulose And cellulose polymers such as carboxylate methylene cellulose, polycarboxylic acid polymers such as polyacrylic acid and polymethacrylic acid, and polymers such as polysulfonic acid such as polystyrene sulfonic acid and polyacrylamidopropyl sulfonic acid.

상기 친수성 고분자는 제2촉매층(40, 40') 총 중량에 대하여 5 내지 50중량%로 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게는 5 내지 25중량%로 포함될 수 있다. 친수성 고분자의 함량이 5중량% 미만이면 수소 이온의 이동이 용이하지 않아 바람직하지 않고, 50중량%를 초과하면 촉매 표면에 대해 장벽으로 작용하여 반응물의 확산을 저해하기 때문에 바람직하지 않다.The hydrophilic polymer may be included in an amount of 5 to 50% by weight, and more preferably 5 to 25% by weight, based on the total weight of the second catalyst layers 40 and 40 '. If the content of the hydrophilic polymer is less than 5% by weight, it is not preferable because the migration of hydrogen ions is not easy. If the content of the hydrophilic polymer exceeds 50% by weight, it is not preferable because it acts as a barrier to the surface of the catalyst and inhibits diffusion of the reactants.

상기 제2촉매층은 제1촉매층에서와 같이 고분자 전해질 막과의 접착력 향상및 수소 이온 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. 상기 바인더 수지는 앞서 설명한 바와 동일하다.The second catalyst layer may further include a binder resin to improve adhesion to the polymer electrolyte membrane and transfer hydrogen ions as in the first catalyst layer. The binder resin is the same as described above.

이와 같은 상기 제1촉매층(30, 30')과 제2촉매층(40, 40')은 1:1 내지 3:1의 두께비를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3:2 내지 3:1의 두께비를 가질 수 있다. 상기 제1촉매층과 제2촉매층의 두께비 범위가 상기 범위를 벗어나면 반응물과 생성물의 확산 경로가 길어짐에 따라 확산 저항이 커져 바람직하지 않다.The first catalyst layers 30 and 30 'and the second catalyst layers 40 and 40' have a thickness ratio of 1: 1 to 3: 1, more preferably 3: 2 to 3: 1. It may have a thickness ratio. When the thickness ratio range of the first catalyst layer and the second catalyst layer is out of the range, the diffusion resistance of the reactant and the product is increased, which is not preferable because the diffusion resistance increases.

상기 촉매층(50, 50')은 전극 기재(60, 60')에 의해 지지된다.The catalyst layers 50 and 50 'are supported by the electrode substrates 60 and 60'.

상기 전극 기재(60, 60')는 상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층(50, 50')으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천((섬유 상태의 금속천으로 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 (60, 60 ') serves to support the electrode and to diffuse the fuel and oxidant to the catalyst layer to facilitate the fuel and oxidant easily accessible to the catalyst layer (50, 50'). A conductive substrate is used as the electrode substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film or polymer composed of metal cloth in a fibrous state). The metal film formed on the surface of the fabric formed of fibers (referred to as metalized polymer fiber) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재(60, 60')는 불소계 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 공중합체를 사용할 수 있다. The electrode substrates 60 and 60 'are preferably water-repellent treated with a fluorine-based resin because they can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, and fluorinated ethylene propylene (Fluorinated). ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene or copolymers thereof.

또한, 상기 전극 기재(60, 60')에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer: 미도시)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. In addition, it may further include a microporous layer (not shown) to enhance the reactant diffusion effect in the electrode substrate (60, 60 '). These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로 에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 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. The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. The binder resin may be polytetrafluoro ethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate Or copolymers thereof and the like can be preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. 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 연료전지용 전극은 애노드 또는 캐소드 전극중 적어도 어느 하나로 사용될 수 있으며, 제1촉매층에서의 소수성 고분자가 형성하는 기공을 통한 연료의 공급 및 이산화탄소의 배출의 용이성을 고려할 경우에는 애노드 전극으로 사용하는 것이 보다 바람직하고, 또한 제1촉매층에서의 소수성 고분자가 형성하는 기공을 통한 산화제의 공급의 용이성을 고려할 경우에는 캐소드 전극으로 사용하는 것이 보다 바람직하다. 보다 더 바람직하게는 상기와 같은 구조를 갖는 전극이 애노드 전극 및 캐소드 전극 모두에 사용되는 것이 좋다.The fuel cell electrode having the structure as described above may be used as at least one of the anode and the cathode electrode, the anode electrode when considering the ease of supply of fuel and carbon dioxide through the pores formed by the hydrophobic polymer in the first catalyst layer It is more preferable to use the same, and in consideration of the ease of supply of the oxidant through the pores formed by the hydrophobic polymer in the first catalyst layer, it is more preferable to use it as the cathode electrode. Even more preferably, an electrode having such a structure is used for both the anode electrode and the cathode electrode.

또한 상기와 같은 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리(131)는 상기 애노드 및 캐소드 전극(20, 20') 사이에 위치하는 고분자 전해질 막(70)을 포함한다.In addition, the membrane-electrode assembly 131 including the electrode includes the polymer electrolyte membrane 70 positioned between the anode and the cathode electrodes 20 and 20 '.

상기 고분자 전해질 막(70)은 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능하는 것으로서, 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. The polymer electrolyte membrane 70 functions as an ion exchange to transfer hydrogen ions generated in the catalyst layer of the anode electrode to the catalyst layer of the cathode electrode, and it is preferable to use a polymer having excellent hydrogen ion conductivity. Generally used as a polymer electrolyte membrane in a fuel cell, anything made of a polymer resin having 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 group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain.

상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone It may include one or more selected from polymers, polyether-etherketone-based polymers or polyphenylquinoxaline-based polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid) (generally marketed as Nafion), poly (Perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene)- 5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole) may be mentioned. have.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한 다. In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, H may be substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium. In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, NaOH is substituted when H is replaced with Na, and tetrabutylammonium hydroxide is used when the substituent is substituted with tetrabutylammonium. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

또한 상기 고분자 전해질 막(70)은 촉매층(50, 50')과 고분자 전해질 막(70) 표면간의 강한 상호작용 및 삼상 계면 면적 증대를 위하여 고분자 전해질 막의 적어도 일면에 대해 플라즈마 처리, 산에 의한 에칭 처리, 애노다이징, 코로나 처리법, 러빙법, 일정 패턴을 갖는 플라스틱 기재를 사용한 프레스법, 샌드 페이퍼(sand papering) 또는 샌드블라스팅(sand blasting)법 등의 방법에 의해 표면 처리함으로써 표면 조도를 갖는 것이 보다 바람직하다.In addition, the polymer electrolyte membrane 70 is plasma-treated and acid-etched on at least one surface of the polymer electrolyte membrane in order to increase the interaction between the catalyst layers 50 and 50 'and the surface of the polymer electrolyte membrane 70 and increase the three-phase interface area. Having surface roughness by surface treatment by methods such as anodizing, corona treatment, rubbing, pressing using a plastic substrate having a certain pattern, sand papering or sand blasting desirable.

보다 바람직하게는 상기 고분자 전해질 막(70) 양면이 표면 조도를 갖는 것이 좋다.More preferably, both surfaces of the polymer electrolyte membrane 70 may have surface roughness.

상기와 같은 구조를 갖는 막-전극 어셈블리(131)는 소수성 고분자 및 금속 촉매를 포함하는 제1촉매층 형성용 조성물을 전극 기재의 일면에 도포하여 제1촉매층을 형성하고; 상기 제1촉매층 위에 금속촉매 및 수소이온 전도성 바인더 수지를 포함하는 제2촉매층 형성용 조성물을 도포하여 제2촉매층을 형성하고, 상기 촉매층이 형성된 전극 기재와 고분자 전해질막을 접합하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.The membrane-electrode assembly 131 having the structure as described above is coated with a composition for forming a first catalyst layer including a hydrophobic polymer and a metal catalyst on one surface of an electrode substrate to form a first catalyst layer; Forming a second catalyst layer by applying a composition for forming a second catalyst layer comprising a metal catalyst and a hydrogen ion conductive binder resin on the first catalyst layer, and bonding the electrode substrate on which the catalyst layer is formed to the polymer electrolyte membrane. It can be prepared by.

이하 상기 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 대해 보다 상세히 설명하면, 먼저 소수성 고분자 및 금속 촉매를 용매중에 분산시켜 제1촉매층 형성용 조성물을 제조한다. Hereinafter, a method of manufacturing the membrane-electrode assembly will be described in detail. First, a composition for forming a first catalyst layer is prepared by dispersing a hydrophobic polymer and a metal catalyst in a solvent.

상기 소수성 고분자 및 금속 촉매는 앞서 설명한 바와 동일하며, 상기 고수성 고분자와 금속 촉매는 제1촉매층 형성용 조성물중에 10:90 내지 60:40중량비로 포함되며, 보다 바람직하게는 20:80 내지 50:50중량비로 포함될 수 있다. The hydrophobic polymer and the metal catalyst are the same as described above, and the high hydrophobic polymer and the metal catalyst are included in the composition for forming the first catalyst layer in a 10:90 to 60:40 weight ratio, and more preferably 20:80 to 50: It may be included in 50 weight ratio.

상기 용매로는 에틸알코올, 이소프로필알코올, 에틸알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 또는 물 등을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 물과 2-프로필알코올의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 용매는 상기 촉매층 형성용 조성물에 잔부로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 적절한 점도로 촉매층을 형성할 수 있도록 적절한 양으로 첨가되는 것이 바람직하다.As the solvent, an alcohol such as ethyl alcohol, isopropyl alcohol, ethyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, or water may be used, and more preferably, a mixture of water and 2-propyl alcohol may be used. The solvent may be included as a remainder in the composition for forming the catalyst layer, and preferably added in an appropriate amount so as to form the catalyst layer at an appropriate viscosity.

상기 촉매층 형성용 조성물은 또한 탄소계 물질, 바인더 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 더 포함할 수도 있다.The composition for forming the catalyst layer may further include one selected from the group consisting of carbonaceous materials, binder resins, and combinations thereof.

상기 탄소계 물질 및 바인더 수지는 앞서 설명한 바와 동일하다.The carbonaceous material and the binder resin are the same as described above.

다음으로, 제조된 제1촉매층 형성용 조성물을 전극 기재의 일면에 도포하여 제1촉매층을 형성한다.Next, the prepared composition for forming the first catalyst layer is applied to one surface of the electrode substrate to form a first catalyst layer.

상기 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스프레이 코팅법, 침지법, 리버스롤법, 다이렉트롤법, 그라비아법, 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 및 슬롯 다이 코팅법 등으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 스프레이 코팅법을 사용할 수 있다. The coating process is spray coating method, immersion method, reverse roll method, direct roll method, gravure method, screen printing method, spray coating method, coating method using a doctor blade, gravure coating method, dip coating method, silk screen depending on the viscosity of the composition It may be carried out by a method selected from the group consisting of a method, a painting method, a slot die coating method and the like, but is not limited thereto. More preferably, a spray coating method can be used.

이어서 금속 촉매를 용매에 분산시켜 제조한 제2촉매층 형성용 조성물을 상기 제1촉매층 위에 도포하고 건조하여 제2촉매층을 형성한다.Subsequently, a second catalyst layer-forming composition prepared by dispersing a metal catalyst in a solvent is applied on the first catalyst layer and dried to form a second catalyst layer.

상기 금속 촉매, 용매, 및 이들을 포함하는 제2촉매층 형성용 조성물의 도포방법은 앞서 제1촉매층에서 설명한 바와 동일하다. The coating method of the metal catalyst, the solvent, and the composition for forming the second catalyst layer including the same is the same as described above for the first catalyst layer.

또한 상기 제2촉매층 형성용 조성물은 친수성 고분자, 바인더 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 더 포함할 수도 있다. 상기 친수성 고분자 및 바인더 수지는 앞서 설명한 바와 동일하다.In addition, the composition for forming the second catalyst layer may further include one selected from the group consisting of a hydrophilic polymer, a binder resin, and a combination thereof. The hydrophilic polymer and binder resin are the same as described above.

이후 상기 제2촉매층이 형성된 전극 기재에 고분자 전해질 막을 접합시켜 막-전극 어셈블리를 제조할 수 있다. Thereafter, a membrane-electrode assembly may be manufactured by bonding a polymer electrolyte membrane to the electrode substrate on which the second catalyst layer is formed.

상기 제조방법에서는 촉매층을 전극 기재에 형성하는 것을 기재하였으나, 상기 촉매층이 고분자 전해질막에 먼저 형성될 수도 있다. 이 경우 고분자 전해질 막에 제2촉매층을 형성하고, 이어서 제1촉매층을 형성한 후 전극 기재와 접합함으로써 막-전극 어셈블리를 제조할 수 있다.In the above method, the catalyst layer is formed on the electrode substrate, but the catalyst layer may be formed on the polymer electrolyte membrane first. In this case, the membrane-electrode assembly may be manufactured by forming a second catalyst layer on the polymer electrolyte membrane, and then forming a first catalyst layer and then bonding the electrode substrate.

상기 전극 기재 및 고분저 전해질 막은 앞서 설명한 바와 동일하며, 고분자 전해질 막과 전극 기재를 결착하는 방법은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.The electrode substrate and the polymer electrolyte membrane are the same as described above, and the method of binding the polymer electrolyte membrane and the electrode substrate is well known in the art, and thus detailed description thereof will be omitted.

상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 막-전극 어셈블리는, 반응물 공급 및 반응 생성물의 배출이 활발히 일어나는 전극 기재쪽 부분에는 소수성의 제1촉매층을, 상대적으로 촉매반응이 활발히 일어나는 고분자 전해질 막쪽의 부분에는 친수성의 제2촉매층을 형성함으로써, 촉매 반응의 감소없이 반응물 공급 및 반응 생성물의 배출을 용이하게 할 수 있다. 그 결과 연료전지의 출력을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 및 혼합 주입형 연료전지(Mixed reactant fuel cell)에 채용시 우수한 효과 를 나타낼 수 있으며, 보다 바람직하게는 직접 산화형 연료전지에 채용될 수 있다.The membrane-electrode assembly manufactured by the above-described manufacturing method has a hydrophobic first catalyst layer on the electrode substrate side where the reactant supply and the reaction product are actively discharged, and a polymer electrolyte membrane side where the catalytic reaction occurs actively. By forming a hydrophilic second catalyst layer, it is possible to facilitate reactant supply and discharge of the reaction product without reducing the catalytic reaction. As a result, the output of the fuel cell can be improved. Accordingly, the membrane-electrode assembly has excellent effects when employed in a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a direct oxidation fuel cell, and a mixed reactant fuel cell. It may be represented, and more preferably may be employed in a direct oxidation fuel cell.

본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.The present invention also provides a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly.

본 발명의 연료전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.The fuel cell system of the present invention includes at least one electricity generator, a fuel supply and an oxidant supply.

상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)을 포함한다. 상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 이 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 캐소드 및 애노드 전극을 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating portion includes a membrane-electrode assembly and a separator (also called bipolar plate). The membrane-electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane and cathode and anode electrodes existing on both sides of the polymer electrolyte membrane. The electricity generation unit serves to generate electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the 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.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.

본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.In the present invention, the fuel may include hydrogen or hydrocarbon fuel in gas or liquid state. Representative examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 발명의 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 및 혼합 주입형 연료전지(Mixed reactant fuel cell)에 제한없이 채용될 수 있다. The fuel cell system of the present invention can be employed without limitation in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), Direct Oxidation Fuel Cell, and Mixed Reactant Fuel Cell. Can be.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프(151,171)를 사용하여 전기 발생부(130)로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리(131)가 이러한 구조에 한정되어 사용되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 구조의 연료전지 시스템에도 사용될 수 있음은 당연한 일이다.A schematic structure of a fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. 2, which will be described in more detail with reference to the following. 2 shows a system for supplying fuel and oxidant to the electricity generation unit 130 using pumps 151 and 171, but the membrane-electrode assembly 131 for fuel cells of the present invention is limited to such a structure. Of course, it can be used in a fuel cell system having a structure using a diffusion method without using a pump.

연료전지 시스템(100)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(130)를 갖는 스택(110)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(150)와, 산화제를 전기 발생부(130)로 공급하는 산화제 공급부(170)를 포함하여 구성된다. The fuel cell system 100 includes a stack 110 having at least one electricity generator 130 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, and a fuel supply unit 150 for supplying the fuel. ) And an oxidant supply unit 170 for supplying an oxidant to the electricity generation unit 130.

상기 연료를 공급하는 연료 공급부(150)는 연료를 저장하는 연료 탱크(153)와, 연료 탱크(153)에 연결 설치되는 연료 펌프(151)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(151)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(153)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다. The fuel supply unit 150 supplying the fuel includes a fuel tank 153 for storing fuel and a fuel pump 151 connected to the fuel tank 153. The fuel pump 151 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 153 by a predetermined pumping force.

상기 스택(110)의 전기 발생부(130)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(170)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(171)를 구비한다. The oxidant supply unit 170 for supplying an oxidant to the electricity generating unit 130 of the stack 110 includes at least one oxidant pump 171 that sucks the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(130)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(131)와 이 막-전극 어셈블리(131)의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(바이폴라 플레이트)(133,135)로 구성되며, 이러한 전기 발생부(130) 가 적어도 하나 모여 스택(110)을 구성한다.The electricity generating unit 130 is a membrane-electrode assembly 131 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant and a separator (bipolar plate) 133 and 135 for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly 131. ), The electricity generating unit 130 is at least one gather to constitute a stack (110).

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)

물과 이소프로필알코올을 10:80의 중량비로 혼합한 용매에, Pt 블랙(Hispec® 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙 (Hispec® 6000, Johnson Matthey사제)를 5:5의 중량비로 혼합한 혼합 촉매와 50nm의 평균 입자 크기를 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌 입자를 50:50의 중량비로 첨가하였다. 이어서, 상기 용매에 10중량% 나피온 (Nafion®, Dupont사제) 수계 분산액 40중량부를 더 넣은 후 초음파를 인가하여 균일하게 교반하여 제1촉매층 형성용 조성물을 제조하였다.Pt black (Hispec ® 1000, manufactured by Johnson Matthey) and Pt / Ru black (Hispec ® 6000, manufactured by Johnson Matthey) were mixed at a weight ratio of 5: 5 in a solvent in which water and isopropyl alcohol were mixed at a weight ratio of 10:80. One mixed catalyst and polytetrafluoroethylene particles having an average particle size of 50 nm were added in a weight ratio of 50:50. Subsequently, in the solvent of 10 wt% Nafion (Nafion ®, Dupont Co.) aqueous dispersion of 40 parts by weight, to prepare a composition for forming the further first catalyst layer and then uniformly stirred by applying an ultrasonic insert.

테플론 처리된 카본 페이퍼 기재(SGL carbon group사제)에 상기 제조된 제1촉매층 형성용 조성물을 스프레이 코팅하여 20㎛ 두께의 제1촉매층을 형성하였다.The Teflon-treated carbon paper substrate (manufactured by SGL carbon group) was spray coated with the composition for forming the first catalyst layer to form a first catalyst layer having a thickness of 20 μm.

별도로 Pt 블랙(Hispec® 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙 (Hispec® 6000, Johnson Matthey사제)를 5:5의 중량비로 혼합한 혼합 촉매 10중량부를 물과 이소프로필알코올을 10:80의 중량비로 혼합한 용매에 첨가하였다. 이어서, 상기 용매에 10중량% 나피온 (Nafion®, Dupont사제) 수계 분산액 40중량부를 더 넣고 혼합하고, 초음파를 인가하여 균일하게 교반하여 제2촉매층 형성용 조성물을 제조 하였다.Separately, 10 parts by weight of a mixed catalyst obtained by mixing Pt black (Hispec ® 1000, manufactured by Johnson Matthey) and Pt / Ru black (Hispec ® 6000, manufactured by Johnson Matthey) in a weight ratio of 5: 5 was added 10:80 parts of water and isopropyl alcohol. It was added to the mixed solvent in weight ratio. Subsequently, in the solvent of 10 wt% Nafion (Nafion ®, Dupont Co.) aqueous dispersion and further mixed into 40 parts by weight, to prepare a composition for forming the catalyst layer 2 by uniformly stirred by applying ultrasound.

상기 제2촉매층 형성용 조성물을 제1촉매층이 형성된 전극 기재위에 스프레이 코팅한 후 건조하여 10㎛ 두께의 제2촉매층을 형성하여 상기 캐소드 전극을 제조하였다. The composition for forming the second catalyst layer was spray-coated on an electrode substrate on which the first catalyst layer was formed, and then dried to form a second catalyst layer having a thickness of 10 μm, thereby preparing the cathode.

Pt 블랙 및 Pt/Ru 블랙의 혼합촉매 대신에 Pt/Ru 블랙 촉매를 사용하는 것을 제외하고는 상기와 동일한 방법으로 실시하여 애노드 전극을 제조하였다. An anode electrode was prepared in the same manner as above except for using a Pt / Ru black catalyst instead of a mixed catalyst of Pt black and Pt / Ru black.

다음으로 상기 캐노드 전극 및 애노드 전극을 상업용 연료전지용 고분자 전해질 막(Nafion 115 Membrane, 듀폰사제) 양면에 적층하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 상기 제조된 막-전극 어셈블리를 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후, 일정 형상의 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입한 후, 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.Next, the cathode electrode and the anode electrode were laminated on both sides of a commercial fuel cell polymer electrolyte membrane (Nafion 115 Membrane, manufactured by DuPont) to prepare a membrane-electrode assembly. After inserting the prepared membrane-electrode assembly between the gasket (gasket), and inserted into two separators having a channel shape and a cooling channel of a predetermined shape, it was pressed between the copper end plate to prepare a single cell. .

(실시예 2)(Example 2)

물과 이소프로필알코올을 10:80의 중량비로 혼합한 용매에, Pt 블랙 및 Pt/Ru 블랙을 5:5의 중량비로 혼합한 혼합 촉매와 폴리테트라플루오로에틸렌 입자를 50:50의 중량비로 첨가하였다. 이어서, 상기 용매에 VGCF 5중량부 및 10중량% 나피온 수계 분산액 40중량부를 더 넣은 후 초음파를 인가하여 균일하게 교반하여 제조된 제1촉매층 형성용 조성물을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.To a solvent in which water and isopropyl alcohol were mixed at a weight ratio of 10:80, a mixed catalyst and polytetrafluoroethylene particles were mixed at a weight ratio of 50:50 with Pt black and Pt / Ru black at a weight ratio of 5: 5. It was. Subsequently, 5 parts by weight of VGCF and 40 parts by weight of 10% by weight of Nafion's aqueous dispersion were added to the solvent, and then the first catalyst layer forming composition was prepared by uniformly stirring by applying ultrasonic waves. In the same manner as in the production of a single cell.

(실시예 3)(Example 3)

물과 이소프로필알코올을 10:80의 중량비로 혼합한 용매에, Pt 블랙 및 Pt/Ru 블랙을 5:5의 중량비로 혼합한 혼합 촉매 및 폴리(에틸렌옥사이드)를 50:50의 중량비로 첨가하였다. 이어서, 상기 용매에 10중량% 나피온 수계 분산액 40중량부를 더 넣고 혼합하고, 초음파를 인가하여 균일하게 교반하여 제조한 제2촉매층 형성용 조성물을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.To a solvent in which water and isopropyl alcohol were mixed at a weight ratio of 10:80, a mixed catalyst and poly (ethylene oxide) in which Pt black and Pt / Ru black were mixed at a weight ratio of 5: 5 were added at a weight ratio of 50:50. . Subsequently, 40 parts by weight of 10% by weight of Nafion's aqueous dispersion was added to the solvent, followed by mixing, and the same method as in Example 1 except for using the second catalyst layer-forming composition prepared by uniformly stirring by applying ultrasonic waves. A single cell was prepared by the method.

(실시예 4)(Example 4)

양면에 대해 대하여 샌드페이퍼링을 실시하여 표면 조도를 증가시킨 연료전지용 고분자 전해질 막(Nafion 115 Membrane, 듀폰사제)을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.A single cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a polymer electrolyte membrane (Nafion 115 Membrane, manufactured by DuPont) for fuel cells having increased surface roughness by sandpapering on both surfaces thereof was used.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

Pt 블랙 및 Pt/Ru 블랙을 5:5의 중량비로 혼합한 혼합 촉매 10중량부를 물과 이소프로필알코올을 10:80의 중량비로 혼합한 용매에 넣은 다음, 10중량% 나피온 수계 분산액 40중량부를 넣고 초음파를 인가하여 균일하게 교반하여 촉매층 형성 조성물을 제조하였다. 10 parts by weight of a mixed catalyst containing Pt black and Pt / Ru black in a weight ratio of 5: 5 was added to a solvent in which water and isopropyl alcohol were mixed in a weight ratio of 10:80, followed by 40 parts by weight of 10% by weight Nafion aqueous dispersion. Put the ultrasonic wave was applied and uniformly stirred to prepare a catalyst layer forming composition.

테플론 처리된 카본 페이퍼 기재(SGL carbon group 사제)에 상기 제조된 촉매층 형성용 조성물을 스프레이 코팅하여 캐소드 전극을 제조하였다. A cathode electrode was prepared by spray coating a composition for forming a catalyst layer on the Teflon treated carbon paper substrate (manufactured by SGL carbon group).

Pt/Ru 블랙 촉매를 사용하는 것을 제외하고는 상기와 동일한 방법으로 실시하여 애노드 전극을 제조하였다. An anode electrode was prepared in the same manner as above except using a Pt / Ru black catalyst.

다음으로 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 상업용 연료전지용 고분자 전해질 막(Nafion 115 Membrane, 듀폰사제) 양면에 적층하여 막-전극 어셈블리를 제조 하였다. 상기 제조된 막-전극 어셈블리를 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후, 일정 형상의 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입한 후, 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.Next, the anode electrode and the cathode electrode were laminated on both surfaces of a commercial electrolyte polymer electrolyte membrane (Nafion 115 Membrane, manufactured by DuPont) to manufacture a membrane-electrode assembly. After inserting the prepared membrane-electrode assembly between the gasket (gasket), and inserted into two separators having a channel shape and a cooling channel of a predetermined shape, it was pressed between the copper end plate to prepare a single cell. .

(비교예 2)(Comparative Example 2)

물과 이소프로필알코올을 10:80의 중량비로 혼합한 용매에, Pt 블랙 및 Pt/Ru 블랙을 5:5의 중량비로 혼합한 혼합 촉매와 50nm의 평균 입자 크기를 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌 입자를 50:50의 중량비로 첨가하였다. 이어서, 상기 용매에 10중량% 나피온 수계 분산액 40중량부를 더 넣은 후 초음파를 인가하여 균일하게 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다.To a solvent in which water and isopropyl alcohol were mixed at a weight ratio of 10:80, a mixed catalyst in which Pt black and Pt / Ru black were mixed at a weight ratio of 5: 5 and polytetrafluoroethylene particles having an average particle size of 50 nm It was added at a weight ratio of 50:50. Subsequently, after adding 40 parts by weight of 10% by weight of Nafion's aqueous dispersion into the solvent, ultrasonic wave was applied and uniformly stirred to prepare a composition for forming a catalyst layer.

테플론 처리된 카본 페이퍼 기재(SGL carbon group사제)에 상기 제조된 촉매층 형성용 조성물을 스프레이 코팅하여 캐소드 전극을 제조하였다. The cathode electrode was prepared by spray coating the composition for forming a catalyst layer on the Teflon-treated carbon paper substrate (manufactured by SGL carbon group).

Pt/Ru 블랙 촉매를 사용하는 것을 제외하고는 상기와 동일한 방법으로 실시하여 애노드 전극을 제조하였다. An anode electrode was prepared in the same manner as above except using a Pt / Ru black catalyst.

다음으로 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 상업용 연료전지용 고분자 전해질 막(Nafion 115 Membrane, 듀폰사제) 양면에 적층하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 상기 제조된 막-전극 어셈블리를 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후, 일정 형상의 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입한 후, 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.Next, the anode electrode and the cathode electrode were laminated on both surfaces of a commercial electrolyte polymer electrolyte membrane (Nafion 115 Membrane, manufactured by DuPont) to prepare a membrane-electrode assembly. After inserting the prepared membrane-electrode assembly between the gasket (gasket), and inserted into two separators having a channel shape and a cooling channel of a predetermined shape, it was pressed between the copper end plate to prepare a single cell. .

상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 단전지에 각각 대하여, 1M 메탄올과 건조 공기를 공급하고 70℃의 온도에서 10시간 동안 운전하여 출력을 측정하였 다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.For each of the unit cells prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, 1M methanol and dry air were supplied and operated at a temperature of 70 ° C. for 10 hours to measure output. The results are shown in Table 1 below.

하기 표 1에서 실시예 1과 비교예 2의 단전지의 출력을 비교예 1의 단전지의 출력을 100%로 하였을 경우 상대적인 값으로 나타내었다.In Table 1 below, the output of the unit cells of Example 1 and Comparative Example 2 is shown as a relative value when the output of the unit cell of Comparative Example 1 is 100%.

출력Print 실시예 1Example 1 130%130% 비교예 1Comparative Example 1 100%100% 비교예 2Comparative Example 2 20%20%

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 소수성 및 친수성의 2층 구조를 갖는 촉매층을 포함하는 실시예 1의 연료전지는 동일한 운전 조건에서 비교예 1 및 2에 비하여 우수한 출력을 나타냄을 확인할 수 있었다. 상기 표 1에서 비교예 2의 단전지가 비교예 1의 단전지에 비해 현저히 낮은 출력을 나타내는 것은 소수성 고분자를 더 포함함으로써 상대적으로 촉매 금속의 함량이 작아져 촉매 활성이 낮아졌기 때문이다.As shown in Table 1, the fuel cell of Example 1 including a catalyst layer having a hydrophobic and hydrophilic two-layered structure was found to show an excellent output compared to Comparative Examples 1 and 2 under the same operating conditions. In Table 1, the unit cell of Comparative Example 2 exhibits a significantly lower output than the unit cell of Comparative Example 1 because the content of the catalyst metal is relatively small due to the addition of a hydrophobic polymer, thereby lowering the catalytic activity.

상기 실시예 2 내지 4의 단전지에 대해서도 상기와 동일한 방법으로 실시하여 출력을 측정하였다.Also about the unit cells of the said Examples 2-4, it carried out by the same method as the above, and measured the output.

그 결과, 실시예 1의 단전지과 동등한 수준의 출력을 나타내었으며, 이로부터 실시예 2 내지 4의 단전지 역시 우수한 출력 특성을 가짐을 확인할 수 있었다.As a result, the output of the same level as the unit cell of Example 1, it was confirmed that the unit cells of Examples 2 to 4 also have excellent output characteristics.

본 발명에 따른 막-전극 어셈블리는 연료의 공급 및 반응 생성물의 배출을 원활하게 할 수 있고, 그 결과 연료전지의 출력을 향상시킬 수 있다.The membrane-electrode assembly according to the present invention can facilitate the supply of fuel and the discharge of reaction products, and as a result, the output of the fuel cell can be improved.

Claims (18)

서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질 막을 포함하고,A polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는, 전극 기재; 및 상기 전극 기재 위에 위치하는 촉매층을 포함하며,At least one of the anode electrode and the cathode electrode, the electrode substrate; And a catalyst layer positioned on the electrode substrate, 상기 촉매층은 The catalyst layer is 전극 기재 위에 위치하며, 소수성 고분자 및 금속촉매를 포함하는 제1촉매층; 및 A first catalyst layer disposed on the electrode substrate and including a hydrophobic polymer and a metal catalyst; And 상기 제1촉매층 위에 위치하며 금속촉매를 포함하는 제2촉매층을 포함하는 것인 Located on the first catalyst layer and comprising a second catalyst layer comprising a metal catalyst 연료전지용 막-전극 어셈블리.Membrane-electrode assembly for fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소수성 고분자는 불소계 고분자, 폴리올레핀계 고분자, 벤젠기 함유 고분자, 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The hydrophobic polymer is a fuel cell membrane-electrode assembly selected from the group consisting of fluorine-based polymer, polyolefin-based polymer, benzene group-containing polymer, and copolymers thereof. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 소수성 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene), 플루오로에틸렌 폴리머, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐에테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소프렌, 폴리에틸렌프로필렌, 폴리부타디엔, 폴리스티렌, 폴리알파메틸스티렌, 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The hydrophobic polymer may be polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene, fluoroethylene polymer, polyhexafluoropropylene, poly purple Fluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, polyethylene, polypropylene, polyisoprene, polyethylenepropylene, polybutadiene, polystyrene, polyalphamethylstyrene, and copolymers thereof Membrane electrode assembly for fuel cells. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소수성 고분자는 10 내지 100nm의 평균 입자 직경을 갖는 입자 형태로 포함되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The hydrophobic polymer is a fuel cell membrane-electrode assembly that is included in the form of particles having an average particle diameter of 10 to 100nm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금 (M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전이 금속), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The metal catalyst is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, A transition metal selected from the group consisting of Zn, Sn, Mo, W, Rh, and a combination thereof), and a membrane-electrode assembly for a fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1촉매층은 소수성 고분자:금속촉매를 10:90 내지 60:40의 중량비로 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The first catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly comprising a hydrophobic polymer: metal catalyst in a weight ratio of 10:90 to 60:40. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1촉매층은 탄소계 물질을 더 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The first catalyst layer further comprises a carbon-based material for a fuel cell membrane electrode assembly. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 탄소계 물질은 카본 파이버, 카본 나노 튜브, 카본 나노 노드, 기상 성장 카본 파이버(Vapor Grown Carbon Fiber: VGCF), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The carbon-based material is selected from the group consisting of carbon fibers, carbon nanotubes, carbon nano nodes, vapor grown carbon fibers (VGCF), and combinations thereof. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2촉매층은 친수성 고분자를 더 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The second catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly further comprising a hydrophilic polymer. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 친수성 고분자는 폴리(에틸렌옥사이드), 폴리(프로필렌옥사이드), 폴리(메틸렌옥사이드), 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트-폴리비닐알코올 공중합체, 폴리(히드록시메틸아크릴레이트), 폴리(히드록시에틸아크릴레이트), 폴리(히드록시에틸메타크릴레이트) 폴리아크릴아마이드, 폴리메타크릴아마이드, 셀룰로스, 메틸셀룰로스, 카르복실레이트메틸렌셀룰로스, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리스티렌술폰산, 폴리아크릴아미도프로필술폰산, 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The hydrophilic polymer is poly (ethylene oxide), poly (propylene oxide), poly (methylene oxide), polyvinyl alcohol, polyvinylacetate-polyvinyl alcohol copolymer, poly (hydroxymethyl acrylate), poly (hydroxyethyl Acrylates), poly (hydroxyethyl methacrylate) polyacrylamide, polymethacrylamide, cellulose, methylcellulose, carboxylatemethylene cellulose, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polystyrenesulfonic acid, polyacrylamidopropylsulfonic acid Membrane electrode assembly for a fuel cell is selected from the group consisting of, and copolymers thereof. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 친수성 고분자는 제2촉매층 총 중량에 대하여 5 내지 50중량%로 포함되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리. The hydrophilic polymer is a fuel cell membrane-electrode assembly that is contained in 5 to 50% by weight relative to the total weight of the second catalyst layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1촉매층과 제2촉매층은 1:1 내지 3:1의 두께비를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.Wherein the first catalyst layer and the second catalyst layer has a thickness ratio of 1: 1 to 3: 1 fuel cell membrane electrode assembly. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 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. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막은 표면 조도를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The polymer electrolyte membrane has a surface roughness membrane-electrode assembly for a fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막은 플라즈마 처리, 산에 의한 에칭 처리, 애노다이징, 코로나 처리법, 러빙법, 일정 패턴을 갖는 플라스틱 기재를 사용한 프레스법, 샌드 페이퍼(sand papering), 샌드블라스팅(sand blasting)법, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 표면 처리된 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The polymer electrolyte membrane may be plasma treated, etching with acid, anodizing, corona treatment, rubbing, pressing using a plastic substrate having a predetermined pattern, sand papering, sand blasting, and A membrane-electrode assembly for a fuel cell, which is surface treated by a method selected from the group consisting of a combination of these. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리는 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The fuel cell membrane electrode assembly is a fuel cell membrane electrode assembly for a direct oxidation fuel cell membrane. 제1항 내지 제16항중 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;A membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 16, and a separator located on both sides of the membrane-electrode assembly, at least one of the electricity to generate electricity through the electrochemical reaction of the fuel and the oxidant Generator; 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. 제17항에 있어서,  The method of claim 17, 상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지 시스템인 연료전지 시스템. The fuel cell system is a direct oxidation fuel cell system.
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