KR20080008605A - Membrane electrode assembly for fuel cell, preparing method for same, and fuel cell system comprising same - Google Patents

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Abstract

A membrane electrode assembly for a fuel cell, a method for preparing the membrane electrode assembly, and a fuel cell system containing the membrane electrode assembly are provided to allow materials to be transported and discharged easily and smoothly through pores, thereby improving the performance of a fuel cell. A membrane electrode assembly comprises an anode(20') and a cathode(20) which are located so as to face each other; and a polymer electrolyte membrane(10) which is located between the anode and the cathode, wherein at least one of the anode and the cathode has an electrode substrate(40,40') and a catalyst layer(30,30') formed on the surface of the electrode substrate, and the catalyst layer has a nanosized micropore(32) and a macropore(34) having an average pore size of 5-25 micrometers.

Description

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

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 개략도.1 is a schematic view showing a structure of a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 개략도.Figure 2 is a schematic diagram showing the structure of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 촉매층에서의 기공 분포도를 측정한 그래프.Figure 3 is a graph measuring the pore distribution in the catalyst layer prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매층내 기공을 통한 물질 이동 및 배출을 용이하게 할 수 있어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 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, to facilitate material movement and discharge through pores in a catalyst layer, thereby improving performance of a fuel cell. 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. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.

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. 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), 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)라 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 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 has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as 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.

이러한 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 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 "환원전극"이라 한다)이 위치하는 구조를 가진다.In such fuel cell systems, the stack that substantially generates electricity comprises several unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a structure laminated to several tens. The membrane-electrode assembly includes 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 structure in which

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 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, and the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. Reaching the cathode 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 generating water.

본 발명의 목적은 촉매층내 기공을 통한 물질 이동 및 배출을 용이하게 할 수 있어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell that can facilitate the movement and discharge of material through the pores in the catalyst layer to improve the performance of the fuel cell.

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

본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연 료 전지 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 발명은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나는, 전극 기재와 상기 전극기재에 형성된 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 나노 사이즈의 기공 직경을 갖는 미세기공, 및 5 내지 25㎛의 평균 기공 직경을 갖는 거대기공을 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode. At least one of the anode electrode and the cathode electrode includes an electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate, the catalyst layer is micropores having a pore diameter of nano size, and macropores having an average pore diameter of 5 to 25㎛ It includes.

본 발명은 또한 촉매 및 기공 형성제를 포함하는 촉매층 형성 조성물을 제조하고, 상기 촉매층 형성 조성물을 전극 기재에 도포하여 촉매층을 형성하고, 상기 촉매층이 형성된 전극 기재를 산 처리하여 촉매층내 기공을 형성하여 전극을 제조하고, 상기 전극의 촉매층에 고분자 전해질 막을 형성하는 단계를 포함하는 막-전극 어셈블리의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a catalyst layer forming composition comprising a catalyst and a pore forming agent, applying the catalyst layer forming composition to an electrode substrate to form a catalyst layer, and acid treating the electrode substrate on which the catalyst layer is formed to form pores in the catalyst layer. It provides a method of manufacturing a membrane-electrode assembly comprising the step of preparing an electrode, and forming a polymer electrolyte membrane on the catalyst layer of the electrode.

본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리, 및 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 present invention also includes the membrane-electrode assembly and the separator, and includes at least one electricity generating unit for generating electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, a fuel supply unit supplying fuel to the electricity generating unit, and an oxidant. It provides a fuel cell system including an oxidant supply unit for supplying to the electricity generating unit.

이하 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 촉매 층내 존재하는 기공은 연료 또는 산화제를 공급하고 반응 생성물을 배출시켜 전극 촉매의 활성을 증진시키는 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 bed serve to enhance the activity of the electrode catalyst by supplying fuel or oxidant and draining 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. 따라서, 연료전지의 성능을 향상시키기 위해서는 촉매층내 포함된 기공을 최적 상태로 유지하여 물질 이동에 대한 저항을 최소화하는 것이 중요하다. 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. Therefore, in order to improve the performance of the fuel cell, it is important to minimize the resistance to mass movement by maintaining the pores contained in the catalyst layer in an optimal state.

종래 촉매층내에서의 기공 형성을 위하여 (NH4)2CO3, NH4HCO3, 또는 (NH4)2C2O4 등의 기공 형성제를 사용하였다. 이들 기공 형성제는 촉매와 함께 촉매층 형성용 조성물에 혼합되어 사용되며, 이후 50 내지 170℃에서의 열처리 공정에 의해 제거되어 결과 촉매층내 기공을 형성하였다. A pore former such as (NH 4 ) 2 CO 3 , NH 4 HCO 3 , or (NH 4 ) 2 C 2 O 4 was used to form pores in the catalyst layer. These pore formers are used in admixture with the catalyst in the composition for forming the catalyst layer and then removed by a heat treatment at 50 to 170 ° C. to form pores in the resulting catalyst layer.

그러나 막-전극 어셈블리의 촉매층내 기공 크기를 제어하기 위해서는 기공 형성제를 볼밀(ball mill)등의 분쇄 장비로 분쇄를 한 후 사용하게 되는데, 이때 볼 밀 등의 분쇄로는 기공형성제의 평균 입자 크기의 제어가 용이하지 않았다. 이에 따라 상기 기공형성제를 사용한 촉매층내 기공 형성 방법은 촉매층내 미세 기공에 대해서는 크기 제어가 어렵다는 문제가 있었다. 또한 사용된 기공 형성제 제거를 위하여 열 처리 공정을 실시하게 되는데 이때 열처리에 의한 기공 형성제 제거 효율이 낮으며, 결과 촉매층내 상기 기공 형성제가 잔류하게 될 경우 전자 전도성이 저하되는 문제가 있었다. 또한 열처리시 온도가 지나치게 높을 경우에는 촉매 활성을 열화시키는 문제가 있다. However, in order to control the pore size in the catalyst layer of the membrane-electrode assembly, the pore-forming agent is pulverized by using a milling apparatus such as a ball mill. The control of size was not easy. Accordingly, the pore forming method in the catalyst layer using the pore-forming agent has a problem that size control is difficult for the fine pores in the catalyst layer. In addition, the heat treatment process is performed to remove the used pore formers. At this time, the pore former removal efficiency by the heat treatment is low, and as a result, when the pore formers remain in the catalyst layer, there is a problem that the electron conductivity is lowered. In addition, when the temperature is too high during heat treatment, there is a problem of deteriorating the catalyst activity.

이에 대하여 본 발명에서는 촉매층내 기공 크기 제어가 용이한 신규한 기공형성제를 사용하여 촉매층내 기공을 반응물의 공급을 위한 것과 반응 생성물의 배출을 위한 것으로 분리 형성함으로써, 촉매층내 물질 이동에 대한 저항을 최소화하고, 결과 촉매층내 기공을 통한 물질 이동 및 배출을 용이하게 할 수 있어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.In the present invention, by using a novel pore-forming agent that can easily control the pore size in the catalyst layer, the pores in the catalyst layer are separated and formed for supplying the reactants and for discharging the reaction product, thereby improving resistance to mass transfer in the catalyst layer. It can minimize and facilitate the movement and release of material through the pores in the resulting catalyst bed can improve the performance of the fuel cell.

도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1를 참고하여 보다 상세히 설명하면, 본 발명의 막-전극 어셈블리(151)는 서로 대향하는 캐소드 전극(20) 및 애노드 전극(20')을 포함하며, 이 캐소드 전극(20)과 애노드 전극(20') 사이에 위치하는 고분자 전해질 막(10)을 포함한다. Referring to FIG. 1, the membrane-electrode assembly 151 of the present invention includes a cathode electrode 20 and an anode electrode 20 ′ facing each other, and the cathode electrode 20 and the anode electrode ( 20 ') between the polymer electrolyte membrane 10.

상기 캐소드 전극(20) 및 애노드 전극(20')은 각각 촉매층(30, 30')과 상기 촉매층을 지지하는 전극 기재(40, 40')를 포함한다. The cathode electrode 20 and the anode electrode 20 'include a catalyst layer 30, 30' and an electrode substrate 40, 40 'for supporting the catalyst layer, respectively.

본 발명에 따른 상기 촉매층(30, 30')은 물질 이동에 대한 저항을 최소화하기 위하여 산화제의 이동을 위한 미세기공(32)과 반응 생성물의 배출을 위한 거대기공(34) 등의 2 이상의 서로 다른 기공 직경을 갖는 기공을 포함한다. The catalyst layers 30, 30 'according to the present invention are two or more different, such as micropores 32 for the movement of the oxidant and macropores 34 for the discharge of the reaction product, in order to minimize resistance to mass transfer. Pores having a pore diameter.

바람직하게는 상기 촉매층(30, 30')은 나노 사이즈의 기공 직경을 갖는 미세기공(32), 및 5㎛ 이상의 평균 기공 직경을 갖는 거대기공(34)을 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 촉매층은 100nm 이하의 평균 기공 직경을 갖는 미세 기공(32) 및 5 내지 25㎛의 평균 기공 직경을 갖는 거대 기공(34)을 포함할 수 있고, 보다 더 바람직하게는 30 내지 60nm의 평균 기공 직경을 갖는 미세 기공(32) 및 5 내지 20㎛의 평균 기공 직경을 갖는 거대 기공(34)을 포함할 수 있다. 또한 상기 거대 기공(34)은 5 내지 7㎛의 평균 기공 직경을 갖는 제1거대기공, 10 내지 12㎛의 평균 기공 직경을 갖는 제2거대기공, 및 18 내지 20㎛의 평균 기공 직경을 갖는 제3거대기공을 포함할 수도 있다.Preferably, the catalyst layers 30 and 30 'may include micropores 32 having nanopore diameters and macropores 34 having an average pore diameter of 5 μm or more. More preferably, the catalyst layer may include micropores 32 having an average pore diameter of 100 nm or less and macropores 34 having an average pore diameter of 5 to 25 μm, even more preferably 30 to 60 nm. It may include a fine pore 32 having an average pore diameter of and a large pore 34 having an average pore diameter of 5 to 20㎛. In addition, the macropores 34 may include a first macropores having an average pore diameter of 5 to 7 μm, a second macropores having an average pore diameter of 10 to 12 μm, and an average pore diameter of 18 to 20 μm. It may also contain 3 macropores.

촉매층(30, 30')내 포함되는 미세 기공과 거대 기공의 평균 기공 직경이 상기 범위 내일 경우는 기상의 반응 생성물은 미세 기공을 통해, 액상의 반응 생성물은 거대 기공을 통해 배출되게 됨으로써 반응물 및 반응 생성물의 전달 및 배출이 용이하다. 그러나 미세 기공과 거대 기공의 평균 기공 직경이 상기 범위를 벗어날 경우 기상 및 액상의 반응 생성물이 분리되어 전달 및 배출되지 않고, 함께 이동함으로써 물질 전달 효율이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.When the average pore diameters of the micropores and the macropores included in the catalyst layers 30 and 30 'are within the above ranges, the reaction products in the gas phase are discharged through the micropores, and the liquid reaction products are discharged through the macropores, thereby reacting and reacting. Easy delivery and discharge of product However, when the average pore diameter of the micropores and the macropores is out of the above range, the reaction products of the gaseous phase and the liquid phase are separated and not transferred and discharged.

상기 촉매층(30, 30')은 미세 기공과 거대 기공을 촉매층 내에 균일하게 혼합된 상태로 포함할 수도 있고, 촉매층(30, 30')내 위치에 따라 미세기공과 거대 기공의 분포량 또는 기공 크기를 달리하여 포함할 수도 있다.The catalyst layers 30 and 30 'may include micropores and macropores uniformly mixed in the catalyst layer, and vary the distribution amount or pore size of the micropores and the macropores according to positions in the catalyst layers 30 and 30'. It may be included.

촉매층(30, 30')과 고분자 전해질 막(10)과의 접합 계면쪽에 미세기공에 비해 거대 기공의 분포량이 많을 경우 반응 생성물인 물이 거대 기공내에서 액상화되기 쉽고, 결과 액상화된 물이 기공을 패쇄하여 반응물인 산화제의 공급을 저해할 우려가 있어 바람직하지 않다. 이에 따라 상기 촉매층(30, 30')은 촉매층과 전극 기재가 접합하는 제1계면에서 촉매층과 고분자 전해질 막이 접하는 제2계면으로 갈수록 기공의 크기가 감소하는 농도 구배를 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 촉매층과 전극 기재가 접합하는 제1계면에서 촉매층과 고분자 전해질 막이 접하는 제2계면으로 갈수록 기공의 크기가 감소하고, 상기 제1계면에서의 미세기공과 거대기공은 0~2:10, 바람직하게는 1:9 내지 2:8의 부피비로 존재하고, 제2계면에서는 10:0~2, 바람직하게는 9:1 내지 8:2의 부피비로 존재하는 것이 좋다. 가장 바람직하게는 상기 제1계면에서의 미세기공과 거대기공은 2:8의 부피비로 존재하고, 제2계면에서는 8:2의 부피비로 존재하는 것이 좋다. 상기 비율로 미세 기공 및 거대 기공을 포함하는 경우 기상 및 액상의 반응 생성물 또는 반응물을 분리하여 전달할 수 있어 물질 이동이 용이하다.When the distribution of macropores is greater than that of micropores at the junction interface between the catalyst layers 30 and 30 'and the polymer electrolyte membrane 10, the reaction product water tends to be liquefied in the macropores. It is unpreferable because there is a risk of blocking and supply of the oxidizing agent as a reactant. Accordingly, the catalyst layers 30 and 30 ′ preferably have a concentration gradient in which the pore size decreases from the first interface where the catalyst layer and the electrode substrate are bonded to the second interface where the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane contact each other. Specifically, the pore size decreases from the first interface where the catalyst layer and the electrode substrate are bonded to the second interface where the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane contact each other, and the micropores and the macropores in the first interface are 0 to 2:10, Preferably it is present in a volume ratio of 1: 9 to 2: 8, and in the second interface it is preferably present in a volume ratio of 10: 0 to 2, preferably 9: 1 to 8: 2. Most preferably, the micropores and the macropores in the first interface are present in a volume ratio of 2: 8 and in the second interface in a volume ratio of 8: 2. In the case of containing micropores and macropores in the ratio, it is possible to separate and deliver the reaction products or reactants in gaseous and liquid phases to facilitate mass transfer.

상기 촉매층(30, 30')은 막-전극 어셈블리의 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층 중 어느 것에라도 적용될 수 있으나, 반응 생성물의 생성이 많은 캐소드 촉매층에 적용될 경우 보다 우수한 물질 이동 효과를 얻을 수 있다. The catalyst layers 30 and 30 'may be applied to any of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer of the membrane-electrode assembly, but when the production of the reaction product is applied to many cathode catalyst layers, a better material transfer effect may be obtained.

또한 상기 촉매층(30, 30')은 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 것으로, 촉매를 포함한다.In addition, the catalyst layers 30 and 30 'catalyze related reactions (oxidation of fuel and reduction of oxidant) and include a catalyst.

상기 촉매층에서 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, 및 Rh으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 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 the catalyst layer, any catalyst that can be used as a catalyst may be used as a catalyst in the reaction of the fuel cell, and a representative 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, At least one catalyst selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, and Rh). 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 촉매층(30, 30')은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. The catalyst layers 30 and 30 'may further include a binder resin to improve adhesion of the catalyst layer and transfer of 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, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 또는 이들의 공중합체 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 또는 이들의 공중합체 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 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 hydrogen ion conductive polymers selected from ether ketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers or copolymers thereof, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluoro Carboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5 ' At least one hydrogen selected from poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole), or copolymers thereof Ionic conductivity It can be used to contain characters.

상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 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 a cation exchanger at the side chain terminal. In the cation exchanger at the side chain terminal, when Na is replaced with Na, tetrabutylammonium hydroxide is used when tetrabutylammonium is used, and K, Li or Cs may be substituted with an appropriate compound. Can be. 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 물질과 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 material 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 물질로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다. The non-conductive material may be polytetrafluoroethylene (PTFE), tetra fluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoro Ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dode At least one selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid and sorbitol is more preferred.

또한 상기 촉매층(30, 30')은 촉매층내 미세 기공 형성을 위하여 사용된 것으로 제조과정중 산 처리시 용출 되지 않은 기공 형성제가 일부 포함될 수도 있다.In addition, the catalyst layers 30 and 30 'are used to form fine pores in the catalyst layer, and may include some pore formers which are not eluted during acid treatment during the manufacturing process.

상기 기공형성제로는 알칼리 금속 함유 탄산염을 사용할 수 있다. 구체적으로는 LiCO3, K2CO3, Na(CO3)2, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것으로, 보다 바람직하게는 LiCO3 를 사용할 수 있다.An alkali metal-containing carbonate may be used as the pore forming agent. Specifically, it is selected from the group consisting of LiCO 3 , K 2 CO 3 , Na (CO 3 ) 2 , and mixtures thereof, and more preferably LiCO 3 may be used.

상기와 같은 구성을 갖는 촉매층(30, 30')은 전극 기재(40, 40')에 의해 지지된다.The catalyst layers 30 and 30 'having the above configuration are supported by the electrode substrates 40 and 40'.

상기 전극 기재(40, 40')는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층(30, 30')으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. The electrode substrates 40 and 40 'serve to support the electrode and diffuse fuel and oxidant to the catalyst layers 30 and 30', thereby easily accessing the fuel and oxidant to the catalyst layer.

상기 전극 기재(40, 40')로는 도전성 기재를 사용할 수 있으며 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 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. A conductive substrate may be used as the electrode substrates 40 and 40 ', and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (fibrous metal cloth). The metal film is formed on the surface of the cloth formed of a porous film or polymer fibers) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재(40, 40')로는 불소 계열 수지로 발수 처리된 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 캐소드 전극의 촉매층에서 전기 화학적으로 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 이들의 공중합체 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.In addition, using the water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode substrates 40 and 40 'can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by the electrochemically generated water in the catalyst layer of the cathode when the fuel cell is driven. It is preferable. 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, copolymers thereof or mixtures thereof may be used.

또한, 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리(10)는 전극 기재(40, 40')에서의 반응물의 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer: 미도시)이 더욱 형성될 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) 등을 포함할 수 있다. In addition, the membrane-electrode assembly 10 according to the present invention may further be formed with a microporous layer (not shown) to enhance the diffusion effect of the reactants in the electrode substrate (40, 40 '). 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, and the like.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트, 이들의 공중합체 또는 이들의 혼합물 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 polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate , Copolymers thereof or mixtures thereof may 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 전극(20, 20')을 포함하는 막-전극 어셈블리(151)는 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막(10)을 포함한다.The membrane-electrode assembly 151 including the electrodes 20 and 20 'having the above structure includes the polymer electrolyte membrane 10 positioned between the anode and the cathode electrode.

상기 고분자 전해질 막(10)은 애노드 전극(20')의 촉매층(30')에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(20)의 촉매층(30)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하는 것이다. 따라서 상기 고분자 전해질 막(10)으로는 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용하는 것이 바람직하다.The polymer electrolyte membrane 10 functions as an ion exchange to move the hydrogen ions generated in the catalyst layer 30 'of the anode electrode 20' to the catalyst layer 30 of the cathode electrode 20. Therefore, it is preferable to use a polymer having excellent hydrogen ion conductivity as the polymer electrolyte membrane 10.

그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.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.

구체적으로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포 함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. Specifically, 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 selected from the group consisting of ether ketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers, copolymers thereof and mixtures thereof, more preferably poly (perfluorosulfonic acid) (generally marketed as Nafion) ), Poly (perfluorocarboxylic acid), copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid group, defluorinated sulfide polyether ketone, aryl ketone, poly (2,2'-m -Phenylene) -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole), their air Consisting of coalescing and mixtures thereof It is selected from may be used.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 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.It is also possible to substitute H with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in the cation exchanger of such a hydrogen ion conductive polymer. In the cation exchanger at the side chain terminal, when Na is replaced with Na, tetrabutylammonium hydroxide is used when tetrabutylammonium is used, and K, Li or Cs may be substituted with an appropriate compound. Can be. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

상기와 같은 구조를 갖는 막-전극 어셈블리는, 서로 다른 기공 직경을 갖는 촉매층을 포함함으로써 물질 이동에 대한 저항을 최소화하여 연료전지의 전지 특성을 향상시킬 수 있다.The membrane-electrode assembly having the structure as described above may include catalyst layers having different pore diameters, thereby minimizing resistance to mass transfer, thereby improving battery characteristics of the fuel cell.

상기 막-전극 어셈블리는, 촉매 및 기공 형성제를 포함하는 촉매층 형성 조성물을 제조하는 단계; 상기 촉매층 형성용 조성물을 전극 기재에 도포하여 촉매층을 형성하는 단계; 상기 촉매층이 형성된 전극 기재를 산 처리하여 촉매층내 기공을 형성하여 전극을 제조하는 단계; 상기 전극의 촉매층 위에 고분자 전해질 막을 형성하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.The membrane-electrode assembly comprises the steps of preparing a catalyst layer forming composition comprising a catalyst and a pore former; Applying the catalyst layer forming composition to an electrode substrate to form a catalyst layer; Acid-treating the electrode substrate on which the catalyst layer is formed to form pores in the catalyst layer to manufacture an electrode; It can be prepared by a manufacturing method comprising the step of forming a polymer electrolyte membrane on the catalyst layer of the electrode.

이하 본 발명의 막-전극 어셈블리의 제조방법에 대하여 보다 상세히 설명하 면, 먼저 촉매 및 기공 형성제를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 제조한다.Hereinafter, a method of manufacturing the membrane-electrode assembly of the present invention will be described in detail. First, a composition for forming a catalyst layer including a catalyst and a pore-forming agent is prepared.

상기 촉매층 형성용 조성물은 용매중에서 촉매 및 기공 형성제를 혼합하여 제조할 수 있다.The catalyst layer forming composition may be prepared by mixing a catalyst and a pore former in a solvent.

상기 용매로는 극성을 나타내는 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 물; 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올 등의 알코올계 용매; N,N-디메틸아세트아미드(DMAC), N-메틸 피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF) 등 아미드계 용매; 및 디메틸술폭사이드 등의 술폭사이드계 용매 등을 사용할 수 있다.It is preferable to use the solvent which shows polarity as said solvent. Specifically water; Alcohol solvents such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol; Amide solvents such as N, N-dimethylacetamide (DMAC), N-methyl pyrrolidone (NMP) and dimethylformamide (DMF); And sulfoxide solvents such as dimethyl sulfoxide and the like.

상기 촉매는 앞서 설명한 바와 동일하다.The catalyst is the same as described above.

상기 기공 형성제는 알칼리 금속 함유 탄산염을 사용할 수 있다. 구체적으로는 LiCO3, K2CO3, Na(CO3)2, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것으로, 보다 바람직하게는 LiCO3 를 사용할 수 있다. The pore former may be an alkali metal-containing carbonate. Specifically, it is selected from the group consisting of LiCO 3 , K 2 CO 3 , Na (CO 3 ) 2 , and a combination thereof, and more preferably LiCO 3 may be used.

상기 기공 형성제들은 이후 막-전극 어셈블리의 제조과정중 산 처리 공정에서 산에 의해 용해되어 제거되는 것으로, 산에 의해 제거된 기공 형성제 부분이 기공이 된다. 따라서, 촉매층내 형성하고자 하는 기공의 직경에 따라 상기 기공 형성제의 입자 직경을 조절하여 사용할 수 있다. The pore formers are then dissolved and removed by acid in an acid treatment process during the manufacture of the membrane-electrode assembly, and the pore formers removed by the acid become pores. Therefore, the particle diameter of the pore former may be adjusted and used according to the diameter of the pores to be formed in the catalyst layer.

상기 기공 형성제들은 분쇄 공정에 의해 입자 직경을 용이하게 제어할 수 있다. 이에 따라 촉매층내 원하는 크기의 기공을 용이하게 형성할 수 있으며, 또한 다양한 크기를 갖는 기공들을 균일하게 형성시킬 수 있다. The pore formers can easily control the particle diameter by the grinding process. As a result, pores having a desired size can be easily formed in the catalyst layer, and pores having various sizes can be uniformly formed.

이에 따라 앞서 설명한 바와 같은 기공 직경을 갖는 미세 기공 및 거대 기공 이 형성될 수 있도록, 상기 기공 형성제는 나노사이즈의 입자 직경을 갖는 미세 기공 형성제, 및 5㎛ 이상의 평균 입자 직경을 갖는 거대 기공 형성제를 포함하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 상기 기공형성제는 100nm 이하의 평균 입자 직경을 갖는 미세 기공 형성제, 및 5 내지 25㎛의 평균 입자 직경을 갖는 거대 기공 형성제를 포함할 수 있고, 보다 더 바람직하게는 30 내지 60nm의 평균 입자 직경을 갖는 미세 기공 형성제 및 5 내지 20㎛의 평균 입자 직경을 갖는 거대 기공 형성제를 포함할 수 있다. 또한 상기 거대 기공 형성제는 또한 5 내지 7㎛의 평균 입자 직경을 갖는 제1거대 기공 형성제, 10 내지 12㎛의 평균 입자 직경을 갖는 제2거대 기공 형성제, 및 18 내지 20㎛의 평균 입자 직경을 갖는 제3거대 기공 형성제를 포함할 수도 있다.Accordingly, the pore former may be a fine pore former having a nano-sized particle diameter, and a macroscopic pore having an average particle diameter of 5 μm or larger so that the fine pores and the macropores having the pore diameter as described above can be formed. It is preferable to include an agent. More preferably, the pore forming agent may include a fine pore forming agent having an average particle diameter of 100 nm or less, and a macroporous forming agent having an average particle diameter of 5 to 25 μm, even more preferably 30 to Micropore formers having an average particle diameter of 60 nm and macroporous formers having an average particle diameter of 5 to 20 μm. The macropore formers are also first macropore formers having an average particle diameter of 5-7 μm, second macropore formers having an average particle diameter of 10-12 μm, and average particles of 18-20 μm. It may also comprise a third macropore former having a diameter.

상기 제조된 촉매층 형성용 조성물을 전극 기재에 도포하고 건조하여 촉매층을 형성한다.The prepared catalyst layer forming composition is applied to an electrode substrate and dried to form a catalyst layer.

상기 전극 기재는 앞서 설명한 바와 동일하다.The electrode substrate is the same as described above.

상기 촉매층 형성용 조성물의 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 닥터 블레이드법을 사용할 수 있다.The coating process of the composition for forming the catalyst layer may be screen printing, spray coating, doctor blade coating, gravure coating, dip coating, silk screening, painting, and slot die depending on the viscosity of the composition. The method may be performed by a method selected from the group consisting of, but is not limited thereto. More preferably, the doctor blade method can be used.

또한 촉매층 형성시 촉매층내 미세 기공과 거대 기공을 촉매층 내에 균일하게 혼합된 상태로 포함할 수 있도록, 상기 미세 기공 형성제와 거대 기공 형성제를 혼합하여 포함하는 단일 촉매층 형성용 조성물을 전극 기재에 코팅하여 형성할 수도 있고, 촉매층내 위치에 따라 미세기공과 거대 기공의 분포량이 달라질 수 있도록 미세기공 형성제와 거대기공 형성제를 다양한 혼합비로 포함하는 복수의 촉매층 형성용 조성물을 제조한 후 이를 전극 기재위에 순차대로 코팅하여 형성할 수도 있다.In addition, when forming a catalyst layer, a single catalyst layer forming composition comprising a mixture of the fine pore forming agent and the macropore forming agent is coated on the electrode substrate so that the micropores and the macropores in the catalyst layer are uniformly mixed in the catalyst layer. It is also possible to form, or to prepare a plurality of composition for forming a catalyst layer comprising a micropore forming agent and a macropore forming agent in various mixing ratios so that the distribution of micropores and macropores can vary depending on the position in the catalyst layer on the electrode substrate It may be formed by coating in sequence.

이때 제조된 촉매층에서 촉매층과 전극 기재가 접합하는 제1계면에서 촉매층과 고분자 전해질 막이 접하는 제2계면으로 갈수록 기공의 크기가 감소하는 농도 구배가 형성되도록 촉매층 형성용 조성물을 순차적으로 전극 기재상에 도포할 수도 있다. 구체적으로는 촉매층과 전극 기재가 접합하는 제1계면에서 촉매층과 고분자 전해질 막이 접하는 제2계면으로 갈수록 기공의 크기가 감소하고, 상기 제1계면에서의 미세기공과 거대기공은 0~2:10, 바람직하게는 1:9 내지 2:8의 부피비로 존재하고, 제2계면에서는 10:0~2, 바람직하게는 9:1 내지 8:2의 부피비로 존재하도록 촉매층 형성용 조성물을 도포하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는 상기 제1계면에서의 미세기공과 거대기공은 2:8의 부피비로 존재하고, 제2계면에서는 8:2의 부피비로 존재하도록 촉매층 형성용 조성물을 도포하는 것이 좋다. In this case, the catalyst layer forming composition is sequentially applied on the electrode substrate such that a concentration gradient is formed in which the pore size decreases from the first interface where the catalyst layer and the electrode substrate are bonded to the second interface where the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane contact each other. You may. Specifically, the pore size decreases from the first interface where the catalyst layer and the electrode substrate are bonded to the second interface where the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane contact each other, and the micropores and the macropores in the first interface are preferably 0 to 2:10. Preferably it is present in a volume ratio of 1: 9 to 2: 8, it is preferable to apply a composition for forming a catalyst layer to exist in a volume ratio of 10: 0 to 2, preferably 9: 1 to 8: 2 in the second interface. . Most preferably, the micropore and the macropore in the first interface are present in a volume ratio of 2: 8, and in the second interface, the composition for forming a catalyst layer is preferably applied.

이후 촉매층이 형성된 전극 기재를 산 처리하여 촉매층내 기공 형성제를 용출시킴으로써 촉매층내 기공을 형성하고 전극을 제조한다. 이때 제조된 전극을 제1전극이라 한다.Thereafter, the electrode substrate on which the catalyst layer is formed is acid treated to elute the pore-forming agent in the catalyst layer to form pores in the catalyst layer to prepare an electrode. In this case, the manufactured electrode is called a first electrode.

상기 산처리 공정은 기공 형성제의 용출 외에도 촉매를 활성화시키는 역할도 한다.The acid treatment process also serves to activate the catalyst in addition to the elution of the pore former.

상기 산 처리 공정은 황산, 인산, 불산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 산 용액중에 상기 촉매층이 형성된 전극 기재를 함침시킴으로써 형성할 수 있다.The acid treatment step can be formed by impregnating an electrode substrate having the catalyst layer in an acid solution selected from the group consisting of sulfuric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, and mixtures thereof.

산 용액은 0.2 내지 5M의 농도로 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 내지 2M의 농도로 사용할수 있다. 산 용액의 농도가 0.2M 미만이면 기공 형성제의 용출이 충분하지 않아 기공 형성 효과가 미미하며, 또한 5M을 초과하면 작업에 용이하지 않을뿐더러 전지 특성의 변형을 초래할 우려가 있어 바람직하지 않다.The acid solution is preferably used at a concentration of 0.2 to 5M, more preferably at a concentration of 1 to 2M. If the concentration of the acid solution is less than 0.2M, the pore-forming agent is not sufficiently eluted and the pore-forming effect is insignificant. If the concentration of the acid solution is more than 5M, it is not easy to work and may cause deformation of battery characteristics.

상기 제조된 제1전극의 촉매층위에 고분자 전해질 막을 형성한다.A polymer electrolyte membrane is formed on the catalyst layer of the prepared first electrode.

상기 고분자 전해질 막은 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제1전극의 촉매층위에 직접 도포한 후 건조하여 형성될 수도 있고, 또는 필름 형태로 하여 제1전극의 촉매층과 접합될 수도 있다. The polymer electrolyte membrane may be formed by directly applying a composition for forming a polymer electrolyte membrane on the catalyst layer of the first electrode and then drying, or may be bonded to the catalyst layer of the first electrode in the form of a film.

상기 고분자 전해질 막은 앞서 설명한 바와 같이 수소 이온 전도성 고분자를 포함한다. 상기 수소 이온 전도성 고분자를 이용한 고분자 전해질 막의 제조방법은 통상의 고분자 전해질 막 형성방법에 의해 실시될 수 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.The polymer electrolyte membrane includes a hydrogen ion conductive polymer as described above. Since the method for producing a polymer electrolyte membrane using the hydrogen ion conductive polymer may be performed by a conventional polymer electrolyte membrane forming method, a detailed description thereof will be omitted.

이후 고분자 전해질 막에 전극 기재 및 상기 전극 기재위에 형성된 촉매층을 포함하는 별도의 전극을 형성하여 막-전극 어셈블리를 제조한다. 이때 상기 전극을 제2전극이라 한다.Thereafter, a separate electrode including an electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate is formed on the polymer electrolyte membrane to prepare a membrane-electrode assembly. In this case, the electrode is called a second electrode.

상기 제2전극은 제1전극과 동일한 방법에 의해 제조될 수 있다.The second electrode may be manufactured by the same method as the first electrode.

전극과 고분자 전해질 막과의 결착 방법은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.Since the binding method between the electrode and the polymer electrolyte membrane is well known in the art, a detailed description thereof will be omitted.

상기와 같이 하여 제조된 막-전극 어셈블리는 다양한 크기로 제어된 직경을 갖는 기공을 포함하는 촉매층을 포함하고 있어, 연료전지 작동시 물질 이동에 대한 저항을 최소화하여 물질 이용이 용이하게 일어날 수 있으므로 연료 전지의 연료전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 막-전극 어셈블리는 통상의 연료전지 시스템에 적용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 직접 산화형 연료 전지 시스템에 적용될 수 있다.The membrane-electrode assembly manufactured as described above includes a catalyst layer including pores having pores having diameters controlled in various sizes, and thus fuel can be easily used by minimizing resistance to mass movement during fuel cell operation. The output characteristics of the fuel cell of the battery can be improved. Such a membrane-electrode assembly may be applied to a conventional fuel cell system, and more preferably to a direct oxidation fuel cell system.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell system including the membrane-electrode assembly.

상기 연료전지 시스템은 상기 막-전극 어셈블리 및 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 the membrane-electrode assembly and the separator, and includes a fuel supply unit supplying fuel to the electricity generating unit and an oxidant supply unit supplying an oxidant to the electricity generating unit.

상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리를 포함하고, 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 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, 프로판 올, 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 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 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. 2, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 2 shows a system for supplying fuel and oxidant to an electric generator using a pump, the fuel cell system of the present invention is not limited to such a structure, and a fuel using a diffusion method without using a pump is shown. 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(150)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(101)와, 산화제를 상기 전기 발생부(150)로 공급하는 산화제 공급부(103)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 100 of the present invention includes at least one electricity generation unit 150 for generating electrical energy through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, a fuel supply unit 101 for supplying the fuel, and an oxidant. It is configured to include an oxidant supply unit 103 for supplying to the electricity generating unit 150.

또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(101)는 연료를 저장하는 연료 탱크(110)를 구비하며, 선택적으로, 상기 연료 탱크(110)에 연결 설치되는 연료 펌프(120)를 더 구비할 수도 있다. 상기한 연료 펌프(120)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(110)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.In addition, the fuel supply unit 101 for supplying fuel includes a fuel tank 110 for storing fuel, and optionally, may further include a fuel pump 120 connected to the fuel tank 110. The fuel pump 120 serves to discharge fuel stored in the fuel tank 110 by a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(150)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(103)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(130)를 구비할 수 있다.The oxidant supply unit 103 supplying the oxidant to the electricity generating unit 150 may include at least one oxidant pump 130 that sucks the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(150)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(151)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(152,153)로 구성되며, 이러한 전기 발생부(150)가 적어도 하나 모여 스 택(105)를 구성한다. The electricity generation unit 150 includes a membrane electrode assembly 151 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant, and separators 152 and 153 for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane electrode assembly. At least one generation unit 150 constitutes a stack 105.

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

이소프로필알코올 30ml중의 Pt 블랙 (Hispec® 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙 (Hispec® 6000, Johnson Matthey사제)의 혼합촉매 3.0g에, 10중량% 나피온(Nafion®, Dupont사제) 수계 분산액 10g을 적하하고, 이어서 40nm 및 10㎛의 평균 입자 직경을 갖는 Li2CO3 을 1:1의 중량비로 혼합한 혼합물 4.5g을 첨가한 후, 기계적으로 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다.10 wt% Nafion (Nafion ® , manufactured by Dupont) aqueous solution in 3.0 g of a mixed catalyst of Pt black (Hispec ® 1000, manufactured by Johnson Matthey) and Pt / Ru black (Hispec ® 6000, manufactured by Johnson Matthey) in 30 ml of isopropyl alcohol 10 g of the dispersion was added dropwise, and then 4.5 g of a mixture in which Li 2 CO 3 having an average particle diameter of 40 nm and 10 μm was mixed in a weight ratio of 1: 1 was added, followed by mechanical stirring to prepare a composition for forming a catalyst layer.

상기 촉매층 형성용 조성물을 25㎛의 두께의 카본 페이퍼에 스크린 인쇄법으로 코팅한 후 건조하여 촉매층을 형성하였다. 이어서 상기 촉매층이 형성된 카본 페이퍼를 2M의 황산 수용액중에 함침하여 촉매층내의 Li2CO3을 용출시켜 기공을 형성하고 제1전극을 제조하였다.The catalyst layer-forming composition was coated on a 25 μm thick carbon paper by screen printing and then dried to form a catalyst layer. Subsequently, the carbon paper on which the catalyst layer was formed was impregnated in a 2 M sulfuric acid aqueous solution to elute Li 2 CO 3 in the catalyst layer to form pores to prepare a first electrode.

상업용 Nafion 115막(분자량: 50~80만, 두께: 125㎛)을 각각 90℃의 3% 과산화수소, 0.5M 황산 수용액에서 2시간 처리한 후, 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하여 H+형 Nafion 115막을 고분자 전해질 막으로 하여 상기 제조된 제1전극 위에 접합하였다.Commercial Nafion 115 membrane (molecular weight: 50 to 80 million, thickness: 125㎛) to the respective washing and then for 2 hours at 3% hydrogen peroxide, 0.5M sulfuric acid aqueous solution of 90 ℃ treatment, for 1 hour in deionized water of 100 ℃ H + A type Nafion 115 membrane was bonded onto the prepared first electrode using a polymer electrolyte membrane.

고분자 전해질 막의 나머지 일면에 대해서도 동일하게 실시하여 고분자 전해질막 양면에 대하여 애노드 전극과 캐소드 전극으로서 제1전극 및 제2전극을 각각 형성하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.In the same manner as for the other side of the polymer electrolyte membrane, a first electrode and a second electrode were formed as anode and cathode electrodes on both sides of the polymer electrolyte membrane to prepare a membrane-electrode assembly.

이후 상기 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.Thereafter, the membrane-electrode assembly was inserted between two gaskets, and then inserted into two separators having a gas flow channel and a cooling channel having a predetermined shape, and pressed between copper end plates to prepare a unit cell.

[실시예 2]Example 2

Pt 블랙 (Hispec® 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙 (Hispec® 6000, Johnson Matthey사제)의 혼합촉매 대신에 Pt/C(20중량%, E-tek사제)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.Except for using Pt / C (20% by weight, manufactured by E-tek) instead of a mixed catalyst of Pt black (Hispec ® 1000, manufactured by Johnson Matthey) and Pt / Ru black (Hispec ® 6000, manufactured by Johnson Matthey) In the same manner as in Example 1, a single cell was manufactured.

[실시예 3]Example 3

기공형성제로서 60nm, 5㎛, 및 15㎛의 평균 입자 직경을 갖는 Li2CO3을 1:1:8, 1:8:1 및 8:1:1로 혼합한 제1, 제2 및 제3혼합물을 각각 사용하여 제1, 제2 및 제3 촉매층 형성용 조성물을 제조하고, 이를 25㎛의 두께의 카본 페이퍼에 제1, 제2 및 제3 촉매층 형성용 조성물의 순서대로 코팅하여 촉매층을 제조하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.First, second, and first mixtures of Li 2 CO 3 having an average particle diameter of 60 nm, 5 μm, and 15 μm as 1: 1: 8, 1: 8: 1, and 8: 1: 1 as pore-forming agents Three mixtures were used to prepare compositions for forming the first, second, and third catalyst layers, which were then coated on 25 μm thick carbon paper in order of the composition for forming the first, second, and third catalyst layers to form a catalyst layer. A single cell was manufactured by the same method as Example 1 except for preparing.

[실시예 4]Example 4

Pt 블랙 (Hispec® 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙 (Hispec® 6000, Johnson Matthey사제)의 혼합촉매 대신에 Pt/C(20중량%, E-tek사제)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.Except for using Pt / C (20% by weight, manufactured by E-tek) instead of a mixed catalyst of Pt black (Hispec ® 1000, manufactured by Johnson Matthey) and Pt / Ru black (Hispec ® 6000, manufactured by Johnson Matthey) In the same manner as in Example 3, a single cell was manufactured.

[비교예 1]Comparative Example 1

이소프로필알코올 3ml중의 Pt 블랙 (Hispec® 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙 (Hispec® 6000, Johnson Matthey사제)의 촉매 3.0g에, 10중량% 나피온(Nafion®, Dupont사제) 수계 분산액 4.5g을 적하하고, 이어서 40nm 내지 200㎛의 입자 직경을 갖는 (NH4)2CO3 4.5g을 첨가한 후, 기계적으로 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다.Aqueous dispersion of 10 wt% Nafion (Nafion ® , manufactured by Dupont) to 3.0 g of catalyst of Pt black (Hispec ® 1000, manufactured by Johnson Matthey) and Pt / Ru black (Hispec ® 6000, manufactured by Johnson Matthey) in 3 ml of isopropyl alcohol 4.5 g was added dropwise, and then 4.5 g of (NH 4 ) 2 CO 3 having a particle diameter of 40 nm to 200 μm was added, followed by mechanical stirring to prepare a composition for forming a catalyst layer.

상기 촉매층 형성용 조성물을 25㎛의 두께의 카본 페이퍼에 스크린 인쇄법으로 코팅한 후 건조하여 촉매층을 형성하였다. 이어서 상기 촉매층이 형성된 카본 페이퍼에 대하여 120℃에서 열처리하여 (NH4)2CO3 의 기공 형성제를 증발시켜 촉매층내의 기공을 형성하고 제1전극을 제조하였다.The catalyst layer-forming composition was coated on a 25 μm thick carbon paper by screen printing and then dried to form a catalyst layer. Subsequently, the carbon paper on which the catalyst layer was formed was heat-treated at 120 ° C. to evaporate the (NH 4 ) 2 CO 3 pore former to form pores in the catalyst layer to prepare a first electrode.

상업용 Nafion 115막(분자량: 50~80만, 두께: 125㎛)을 각각 90℃의 3% 과산화수소, 0.5M 황산 수용액에서 2시간 처리한 후, 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하여 H+형 Nafion 115막을 고분자 전해질 막으로 하여 상기 제조된 제1전극 위에 접합하였다.Commercial Nafion 115 membrane (molecular weight: 50 to 80 million, thickness: 125㎛) to the respective washing and then for 2 hours at 3% hydrogen peroxide, 0.5M sulfuric acid aqueous solution of 90 ℃ treatment, for 1 hour in deionized water of 100 ℃ H + A type Nafion 115 membrane was bonded onto the prepared first electrode using a polymer electrolyte membrane.

고분자 전해질 막의 나머지 일면에 대해서도 동일하게 실시하여 고분자 전해 질막 양면에 대하여 애노드 전극과 캐소드 전극으로서 제1전극 및 제2전극을 각각 형성하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.In the same manner with respect to the other surface of the polymer electrolyte membrane, a first electrode and a second electrode were formed as anode and cathode electrodes on both sides of the polymer electrolyte membrane to prepare a membrane-electrode assembly.

이후 상기 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.Thereafter, the membrane-electrode assembly was inserted between two gaskets, and then inserted into two separators having a gas flow channel and a cooling channel having a predetermined shape, and pressed between copper end plates to prepare a unit cell.

[비교예 2]Comparative Example 2

Pt 블랙 (Hispec®1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙 (Hispec® 6000, Johnson Matthey사제)의 혼합촉매 대신에 Pt/C(20중량%, E-tek사제)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.Except for using Pt / C (20% by weight, manufactured by E-tek) instead of a mixed catalyst of Pt black (Hispec ® 1000, manufactured by Johnson Matthey) and Pt / Ru black (Hispec ® 6000, manufactured by Johnson Matthey) In the same manner as in Example 1, a single cell was manufactured.

상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 단전지에 있어서, 촉매층내 형성된 기공 분포도를 관찰하였다. 결과를 도 3에 나타내었다.In the unit cells manufactured according to Example 1 and Comparative Example 1, pore distributions formed in the catalyst layer were observed. The results are shown in FIG.

도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 기공형성제를 사용하여 형성된 실시예 1의 단전지에서의 촉매층의 경우 사용한 기공 형성제의 입자 크기에 대응하는 기공이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 이에 반해 종래의 기공형성제를 사용하여 형성된 비교예 1의 단전지에서의 촉매층의 경우 기공 형성제의 입자 크기 제어가 어려운 까닭에 실시예 1에 비해 매우 큰 기공 크기를 갖는 거대 기공이 형성되었다. 이로부터 본 발명의 실시예 1의 기공형성제가 비교예 1의 기공형성제에 비해 입자 크기 제어가 용이하며 결과 촉매층내 기공 형성시 기공 크기 제어에도 보다 유리함을 알 수 있다.As shown in FIG. 3, it can be seen that pores corresponding to the particle size of the pore former used are formed in the case of the catalyst layer in the unit cell of Example 1 formed using the pore former of the present invention. On the other hand, in the case of the catalyst layer in the unit cell of Comparative Example 1 formed using a conventional pore-forming agent, it was difficult to control the particle size of the pore-forming agent, so that a large pore having a very large pore size was formed. From this, it can be seen that the pore-forming agent of Example 1 of the present invention is easier to control the particle size than the pore-forming agent of Comparative Example 1, and as a result, it is more advantageous to control the pore size when forming pores in the catalyst layer.

상기 실시예 1, 3 및 비교예 1에서 제조된 단전지에 대하여 직접 산화형 연료전지의 조건하(수소/공기 및 3M 메탄올/공기하)에서 전류 밀도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. For the cells prepared in Examples 1, 3 and Comparative Example 1, the current density was measured under the conditions of the direct oxidation fuel cell (hydrogen / air and 3M methanol / air). The results are shown in Table 1 below.

평가항목Evaluation item 실시예 1Example 1 실시예 3Example 3 비교예 1Comparative Example 1 50℃, 0.4V에서의 전류 밀도 (mA/cm2)Current density at 50 ° C, 0.4V (mA / cm 2 ) 280mA/cm2 280mA / cm 2 300mA/cm2 300 mA / cm 2 220mA/cm2 220mA / cm 2

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 촉매층을 포함하는 실시예 1 및 3의 단전지는 동일한 운전조건 (3M 메탄올/공기 at 50℃)에서 비교예 1의 단전지에 비해 높은 전류 밀도를 나타내어 우수한 출력 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1, the cells of Examples 1 and 3 including the catalyst layer according to the present invention showed a higher current density than the cells of Comparative Example 1 under the same operating conditions (3M methanol / air at 50 ℃) It was confirmed that it has excellent output characteristics.

또한 상기 실시예 2, 4 및 비교예 2의 단전지에 대하여 직접 산화형 연료전지의 조건하(수소/공기 및 3M 메탄올/공기하)에서 전류 밀도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.In addition, the current densities of the unit cells of Examples 2, 4 and Comparative Example 2 were measured under the conditions of direct oxidation fuel cells (hydrogen / air and 3M methanol / air). The results are shown in Table 2 below.

평가항목Evaluation item 실시예 2Example 2 실시예 4Example 4 비교예 2Comparative Example 2 60 ℃, 0.6V에서의 전류 밀도 (mA/cm2)Current density at 60 ℃, 0.6V (mA / cm 2 ) 1600mA/cm2 1600mA / cm 2 1800mA/cm2 1800mA / cm 2 1100mA/cm2 1100mA / cm 2

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 촉매층을 포함하는 실시예 2 및 4의 단전지는 동일한 운전조건 (1M 메탄올/공기 at 60℃)에서 비교예 2의 단전지에 비해 높은 전류 밀도를 나타내어 우수한 출력 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 2, the unit cells of Examples 2 and 4 including the catalyst layer according to the present invention showed a higher current density than the unit cell of Comparative Example 2 under the same operating conditions (1M methanol / air at 60 ℃) It was confirmed that it has excellent output characteristics.

본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리는 제어된 기공 직경을 갖는 기공을 포함함으로써 촉매층내 기공을 통한 물질 이동 및 배출을 용이하게 할 수 있어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention includes pores having a controlled pore diameter to facilitate material movement and discharge through pores in the catalyst layer, thereby improving performance of the fuel cell.

Claims (23)

서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 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 기재에 형성된 촉매층을 포함하며, It includes a catalyst layer formed on the electrode substrate, 상기 촉매층은 나노사이즈의 기공 직경을 갖는 미세기공, 및 5 내지 25㎛의 평균 기공 직경을 갖는 거대기공을 포함하는 것인 The catalyst layer is to include micropores having a pore diameter of nano-size, and macropores having an average pore diameter of 5 to 25㎛ 연료전지용 막-전극 어셈블리.Membrane-electrode assembly for fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 미세기공은 100nm 이하의 평균 기공 직경을 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The micro-pores are fuel cell membrane-electrode assembly having an average pore diameter of less than 100nm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 미세기공은 30 내지 60nm의 평균 기공 직경을 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The micro-pores membrane-electrode assembly for a fuel cell having an average pore diameter of 30 to 60nm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 거대기공은 5 내지 20㎛의 평균 기공 직경을 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The macropores are fuel cell membrane-electrode assembly having an average pore diameter of 5 to 20㎛. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 거대 기공은 5 내지 7㎛의 평균 기공 직경을 갖는 제1거대기공, 10 내지 12㎛의 평균 기공 직경을 갖는 제2거대기공, 및 18 내지 20㎛의 평균 기공 직경을 갖는 제3거대기공을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The macropores include first macropores having an average pore diameter of 5 to 7 μm, second macropores having an average pore diameter of 10 to 12 μm, and third macropores having an average pore diameter of 18 to 20 μm. Membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매층은 촉매층과 전극 기재가 접합하는 제1계면에서 촉매층과 고분자 전해질 막이 접하는 제2계면으로 갈수록 기공의 크기가 감소하는 농도구배를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly having a concentration gradient in which the pore size decreases from the first interface where the catalyst layer and the electrode substrate are bonded to the second interface where the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane contact each other. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매층은 촉매층과 전극 기재가 접합하는 제1계면에서 촉매층과 고분자 전해질 막이 접하는 제2계면으로 갈수록 기공의 크기가 감소하고, 상기 제1계면에서의 미세기공과 거대기공은 0~2:10의 부피비로 존재하고, 제2계면에서는 10:0~2의 부피비로 존재하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.In the catalyst layer, the pore size decreases from the first interface where the catalyst layer and the electrode substrate are bonded to the second interface where the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane contact each other. And, in the second interface, present in a volume ratio of 10: 0 to 2 in the fuel cell membrane-electrode assembly. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매층은 백금계 촉매를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly comprising a platinum-based catalyst. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매층은 바인더 수지, 기공 형성제, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 더 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly further comprising one selected from the group consisting of binder resins, pore formers, and mixtures thereof. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 바인더 수지는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지인 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The binder resin is 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. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 기공 형성제는 알칼리 금속의 탄산염인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The pore former is a membrane-electrode assembly for a fuel cell is an alkali metal carbonate. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 막-전극 어셈블리는 직접 산화형 연료전지용 막-전극 어셈블리인 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The membrane-electrode assembly is a membrane-electrode assembly for a direct oxidation fuel cell membrane-electrode assembly. 촉매 및 기공 형성제를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 제조하는 단계;Preparing a composition for forming a catalyst layer comprising a catalyst and a pore former; 상기 촉매층 형성용 조성물을 전극 기재에 도포하여 촉매층을 형성하는 단계;Applying the catalyst layer forming composition to an electrode substrate to form a catalyst layer; 상기 촉매층이 형성된 전극 기재를 산 처리하여 촉매층내 기공을 형성하여 전극을 제조하는 단계; 및Acid-treating the electrode substrate on which the catalyst layer is formed to form pores in the catalyst layer to manufacture an electrode; And 상기 전극의 촉매층에 고분자 전해질 막을 형성하는 단계Forming a polymer electrolyte membrane on the catalyst layer of the electrode 를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.Method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 기공 형성제는 알칼리 금속의 탄산염인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.And the pore former is a carbonate of an alkali metal. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 기공 형성제는 LiCO3, K2CO3, Na(CO3)2, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The pore former is selected from the group consisting of LiCO 3 , K 2 CO 3 , Na (CO 3 ) 2 , and mixtures thereof. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 기공 형성제는 나노사이즈의 평균 입자 직경을 갖는 미세기공 형성제, 및 5 내지 25㎛의 평균 입자 직경을 갖는 거대기공 형성제를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The pore former is a method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a micropore former having a nanoparticle size average particle diameter, and a macroporous former having an average particle diameter of 5 to 25㎛. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 미세 기공 형성제는 100nm 이하의 평균 입자 직경을 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.Wherein the fine pore former has an average particle diameter of 100 nm or less. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 거대 기공 형성제는 5 내지 20㎛의 평균 입자 직경을 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The macro pore former is a method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell having an average particle diameter of 5 to 20㎛. 제16항에 있어서, The method of claim 16, 상기 거대 기공 형성제는 5 내지 7㎛의 평균 입자 직경을 갖는 제1거대기공 형성제, 10 내지 12㎛의 평균 입자 직경을 갖는 제2거대기공 형성제, 및 18 내지 20㎛의 평균 입자 직경을 갖는 제3거대기공 형성제를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The macropore-forming agent comprises a first macropore-forming agent having an average particle diameter of 5 to 7 μm, a second macroporous forming agent having an average particle diameter of 10 to 12 μm, and an average particle diameter of 18 to 20 μm. Method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a third macropore forming agent having. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 촉매층은 촉매층과 전극 기재가 접합하는 제1계면에서 촉매층과 고분자 전해질 막이 접하는 제2계면으로 갈수록 기공의 크기가 감소하는 농도구배를 갖도록 형성되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.Wherein the catalyst layer is formed to have a concentration gradient in which the pore size decreases from the first interface where the catalyst layer and the electrode substrate are bonded to the second interface where the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane are in contact with each other. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 산 처리 공정은 황산, 인산, 불산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 산을 처리하여 실시되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The acid treatment process is a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell is performed by treating an acid selected from the group consisting of sulfuric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, and mixtures thereof. 제1항 내지 제12항중 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;13. A membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 12, 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. 제22항에 있어서,The method of claim 22, 상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지 시스템인 연료 전지 시스템.The fuel cell system is a direct oxidation fuel cell system.
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