KR20080010575A - Method of preparing membrane-electrode assembly - Google Patents

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KR20080010575A
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Abstract

A method for preparing a membrane electrode assembly for a fuel cell, a membrane electrode assembly prepared by the method, and a fuel cell system containing the membrane electrode assembly are provided to minimize the damage of a catalyst layer during the manufacturing process and to improve the performance of a fuel cell by minimizing the interference resistance between a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer. A method for preparing a membrane electrode assembly comprises the steps of (S1) forming a catalyst on the one side of an electrode substrate with an interval from the outer circumference of a first electrode substrate to the inside, thereby forming a first electrode; (S2) adhering a releasing film to the circumference of the first electrode substrate; (S3) coating a polymer electrolyte membrane composition on the first electrode substrate where a releasing film is adhered, thereby forming a polymer electrolyte membrane; (S4) removing the releasing film from the first electrode substrate; and (S5) forming a catalyst layer on a second electrode substrate, thereby forming a second electrode, and adhering the second electrode to the other side of the polymer electrolyte membrane.

Description

연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법{METHOD OF PREPARING MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY}Manufacturing method of membrane-electrode assembly for fuel cell {METHOD OF PREPARING MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정도.1 is a process diagram schematically showing a method of manufacturing 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 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면.2 schematically illustrates a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.3 is a view schematically showing the structure of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제조 과정중 촉매층의 손상을 최소화할 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly, and more particularly, to a method for manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly capable of minimizing damage to a catalyst layer during a manufacturing process.

[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 경우는 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). When methanol is used as the fuel in the direct oxidation fuel cell, it 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 “산화 전극”이라 한다)과 캐소드 전극(일명 “공기극” 또는 “환원 전극”이라고 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 is called an anode electrode (also called a “fuel electrode” or an “oxidation electrode”) and a cathode electrode (also called “air electrode” or “reduction electrode”) with a polymer electrolyte membrane containing a hydrogen ion conductive polymer therebetween. ) Is located.

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, 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. 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 producing water.

본 발명의 목적은 제조 과정이 간단하며, 제조시 촉매층의 손상을 최소화할 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, in which the manufacturing process is simple and the damage of the catalyst layer can be minimized during manufacturing.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1전극기재의 바깥 테두리로부터 안쪽으로 간격을 두고 상기 전극 기재의 일면에 촉매층을 형성하여 제1전극을 형성하고, 상기 제1전극 기재의 가장자리에 이형 필름을 부착하고, 상기 이형 필름이 부착된 제1전극 기재 위에 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 도포하여 고분자 전해질 막을 형성하고, 상기 제1전극 기재로부터 이형필름을 제거하고, 제2전극 기재 위에 촉매층을 형성하여 제2전극을 제조한 후 상기 제2전극을 상기 고분자 전해질 막의 다른 일면에 접합시키는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention forms a catalyst layer on one surface of the electrode substrate at intervals inward from the outer edge of the first electrode substrate to form a first electrode, the release film on the edge of the first electrode substrate To form a polymer electrolyte membrane by applying the composition for forming a polymer electrolyte membrane on the first electrode substrate having the release film attached thereto, removing the release film from the first electrode substrate, and forming a catalyst layer on the second electrode substrate. By manufacturing a second electrode and then bonding the second electrode to the other surface of the polymer electrolyte membrane.

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

연료 전지에서 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 이 고분자 전해질 막 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 구성되며, 이 막-전극 어셈블리에서, 연료 및 산화제에 의한 산화 및 환원 반응에 따라 전기를 발생시킨다. 이러한 막-전극 어셈블리에서 일어나는 반응은 상기 고분자 전해질 막과 전극과의 계면 접착이 우수해야 잘 일어날 수 있으며, 또한 계면에서의 전극과의 접촉 면적이 넓어야 한다.In a fuel cell, the membrane-electrode assembly is composed of a polymer electrolyte membrane and anode and cathode electrodes positioned on both sides of the polymer electrolyte membrane. In this membrane-electrode assembly, electricity is generated by oxidation and reduction reactions by fuel and oxidant. Let's do it. The reaction occurring in the membrane-electrode assembly may occur well when the interfacial adhesion between the polymer electrolyte membrane and the electrode is excellent, and the contact area with the electrode at the interface should be wide.

통상적으로 막-전극 어셈블리는 전극 기재에 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질 막에 접합시키거나, 또는 고분자 전해질 막에 먼저 촉매층을 형성한 후 전극 기재와 접합시키는 방법 등에 의해 제조된다. Typically, the membrane-electrode assembly is prepared by forming a catalyst layer on an electrode substrate and then bonding it to a polymer electrolyte membrane, or first forming a catalyst layer on a polymer electrolyte membrane and then bonding it to an electrode substrate.

그러나 이와 같은 방법들은 촉매층을 손상시킬 우려가 높고, 그 결과 제조된 막-전극 어셈블리에서 촉매층과 고분자 전해질 막 사이의 저항이 증가하게 되는 문제가 있었다.However, these methods have a high risk of damaging the catalyst layer, and as a result, the resistance between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane in the prepared membrane-electrode assembly increases.

이에 대하여, 본 발명에서는 촉매층이 형성된 전극 기재위에 닥터 블레이드를 이용하여 고분자 전해질 막을 형성함으로써 막-전극 어셈블리를 용이하게 제조하고 또한 제조과정중의 촉매층 손상을 최소화할 수 있다. 그 결과, 제조된 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 촉매층 상의 저항이 최소화되어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.On the other hand, in the present invention, by forming a polymer electrolyte membrane using a doctor blade on the electrode substrate on which the catalyst layer is formed, the membrane-electrode assembly can be easily manufactured and the damage of the catalyst layer during the manufacturing process can be minimized. As a result, the manufactured membrane-electrode assembly can minimize the resistance on the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer to improve the performance of the fuel cell.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 제조방법을 간략하게 나타낸 공정도이다.1 is a process diagram briefly showing a method of manufacturing a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 제조방법은 제1전극 기재의 바깥 테두리로부터 안쪽으로 간격을 두고 상기 전극 기재의 일면에 촉매층을 형성하여 제1전극을 형성하는 단계(S1), 상기 제1전극기재의 가장자리에 이형 필름을 부착하는 단계(S2), 상기 이형 필름이 부착된 제1전극기재 위에 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 도포하여 고분자 전해질 막을 형성하는 단계(S3), 상기 제1전극기재로부터 이형필름을 제거하는 단계(S4), 제2전극기재 위에 촉매층을 형성하여 제2전극을 제조한 후, 제조된 제2전극을 상기 고분자 전해질 막의 다른 일면에 접합시키는 단계(S5)를 포함한다.Referring to FIG. 1, in the method of manufacturing a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention, a first electrode is formed by forming a catalyst layer on one surface of the electrode substrate at intervals inward from an outer edge of the first electrode substrate. Forming (S1), attaching a release film to the edge of the first electrode substrate (S2), and forming a polymer electrolyte membrane by applying a composition for forming a polymer electrolyte membrane on the first electrode substrate to which the release film is attached. (S3), removing the release film from the first electrode substrate (S4), forming a catalyst layer on the second electrode substrate to manufacture a second electrode, and then preparing the second electrode on the other side of the polymer electrolyte membrane. Bonding to one surface (S5).

보다 상세하게는, 먼저 제1전극기재를 준비한다.More specifically, first, the first electrode substrate is prepared.

상기 제1전극 기재로는 또한 전극 기재로는 도전성 기재를 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속 천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함) 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.A conductive substrate may be used as the first electrode substrate, and a representative example thereof may be carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (metal in a fiber state). Or a metal film formed on the surface of the cloth formed of a porous film or a polymer fiber composed of a cloth (referring to a metalized polymer fiber), and the like, but is not limited thereto.

또한 상기 제1전극 기재는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene) 또는 플루오로에틸렌 폴리머 등의 불소계 수지로 발수 처리된 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 보다 바람직하다.In addition, the first electrode base material is water-repellent with a fluorine resin such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene or fluoroethylene polymer. The treatment is more preferable because the gas diffusion efficiency can be prevented from being lowered by water generated when the fuel cell is driven.

또한 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위하여 미세 기공층(microporous layer)을 전극 기재위에 형성할 수도 있다. In addition, a microporous layer may be formed on the electrode substrate to enhance the diffusion effect of the reactants on the electrode substrate.

상기 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. The microporous layer is generally a conductive powder having a small particle diameter, for example, carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nano horn (carbon nano) -horn or carbon nano ring.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. As the binder resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, and the like may be preferably used. The solvent may be ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, or the like. Alcohol, water, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like can 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.

이어서 상기 제1전극 기재의 바깥 테두리로부터 안쪽으로 간격을 두고 상기 전극 기재의 일면에 촉매층을 형성하여 제1전극을 형성한다(S1).Subsequently, the first electrode is formed by forming a catalyst layer on one surface of the electrode substrate at intervals inward from the outer edge of the first electrode substrate (S1).

상기 촉매층 형성은 직접 도포 또는 전사 코팅법에 의해 실시될 수 있다. The catalyst layer formation may be performed by direct application or transfer coating.

직접 도포법에 의해 촉매층을 형성할 경우, 촉매를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 전극 기재에 직접 도포한 후 건조하여 형성할 수 있다. 이때 상기 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 및 슬롯다이(slot die)법으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 스크린 프린팅 법을 사용할 수 있다.When the catalyst layer is formed by the direct coating method, the composition for forming a catalyst layer containing the catalyst may be directly applied to the electrode substrate and then dried. At this time, the coating process is made of a screen printing method, a spray coating method, a coating method using a doctor blade, a gravure coating method, a dip coating method, a silk screen method, a painting method, and a slot die method according to the viscosity of the composition. It may be carried out by a method selected from the group, but is not limited thereto. More preferably, the screen printing method can be used.

상기 촉매층 형성용 조성물은 촉매 및 용매를 포함한다.The catalyst layer forming composition includes a catalyst and a solvent.

상기 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. As the catalyst, any one that can be used as a catalyst may participate in the reaction of the fuel cell, and as a representative example, a platinum-based catalyst may be used. 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 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 카본나노와이어, 카본나노볼, 또는 활성탄소 등의 탄소 계 물질을 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 또는 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.In addition, such a catalyst may be used as the catalyst itself (black), or may be used on a carrier. As the carrier, carbon-based materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball, or activated carbon may be used, and alumina, silica, zirconia, Or inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used.

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 촉매층 형성용 조성물은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. The catalyst layer forming composition 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. 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 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있고, 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-벤즈이미 다졸), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 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. 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 A hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of ether ketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers, copolymers thereof and mixtures thereof, preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (purple) Fluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5, 5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole), copolymers thereof and mixtures thereof Selected from military It may be a hydrogen ion conductive polymer.

전사 코팅법에 의해 촉매층을 형성할 경우, 촉매층 형성용 조성물을 이형 필름에 도포하고 건조하여 촉매층을 형성하고 이를 열간 압연에 의해 전극 기재에 전사함으로써 촉매층을 형성할 수 있다. 상기 촉매층 형성용 조성물은 앞서 설명한 바와 동일하다.When the catalyst layer is formed by the transfer coating method, the catalyst layer may be formed by applying the catalyst layer-forming composition to a release film and drying to form a catalyst layer, which is then transferred to an electrode substrate by hot rolling. The catalyst layer forming composition is the same as described above.

상기 이형 필름으로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA) 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(Ethylene/ Tetrafluoroethylene(ETFE)) 등의 불소계 수지 필름, 또는 폴리이미드(Kapton®, DuPont 사제), 폴리에스테르(Mylar®, DuPont 사제) 등의 비불소계 고분자 필름을 사용할 수 있으며, 상기 이형 필름에 대한 촉매층 형성용 조성물의 도포 공정은 앞서 설명한 바와 같다.Examples of the release film include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) ethylene / tetrafluoro the ethylene (ethylene / Tetrafluoroethylene (ETFE)), such as the fluorine resin film, or polyimide (Kapton ®, DuPont Co.), a polyester wherein the release film, it is possible to use a non-fluorine-based polymer film, such as (Mylar ®, DuPont Co.) The coating step of the composition for forming a catalyst layer is as described above.

상기 전사 코팅 공정은 이형 필름에 형성된 촉매층을 전극 기재 상에 위치시킨 후 열간 압연하여 전사시킨다. 열간 압연시 온도는 100 내지 250℃, 보다 바람직하게는 100 내지 200℃인 것이 바람직하다. 또한, 열간 압연시 압력은 700 내지 2000psi, 보다 바람직하게는 700 내지 1500psi인 것이 바람직하다. 상기 온도 및 압력범위 내에서는 촉매층의 전사가 원활하여 바람직하고, 상기 범위를 벗어나면 촉매층의 전사가 완전하지 않거나 촉매층이 지나치게 밀집된 구조를 가지므로 반응 물의 유입 및 제거에 바람직하지 않다.In the transfer coating process, the catalyst layer formed on the release film is placed on an electrode substrate, and then hot rolled to transfer the catalyst layer. The temperature at the time of hot rolling is 100-250 degreeC, More preferably, it is 100-200 degreeC. In addition, the pressure during hot rolling is preferably 700 to 2000 psi, more preferably 700 to 1500 psi. Within the above temperature and pressure range, the catalyst layer is smoothly transferred, and if it is out of the above range, the catalyst layer is not completely transferred or the catalyst layer has an excessively dense structure.

이후 상기 촉매층이 형성된 제1전극기재에 대하여 촉매층이 형성되지 않은 전극 기재의 가장자리부에 이형필름을 부착한다(S2).Thereafter, a release film is attached to an edge portion of the electrode substrate on which the catalyst layer is not formed with respect to the first electrode substrate on which the catalyst layer is formed (S2).

상기 이형필름은 촉매층이 형성된 곳과 형성되지 않은 부분의 높이차를 맞추기 위한 것으로, 용이하게 박리될 수 있는 필름을 사용하는 것이 바람직하다.The release film is to match the height difference between the place where the catalyst layer is formed and the portion is not formed, it is preferable to use a film that can be easily peeled off.

상기 이형필름으로는 앞서 촉매층 형성시 설명한 이형필름과 동일한 것을 사용할 수 있다. The release film may be the same as the release film described above when forming the catalyst layer.

이어서 상기 이형 필름이 부착된 제1전극기재 위에 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 도포하여 고분자 전해질 막을 형성한다(S3).Subsequently, the polymer electrolyte membrane-forming composition is coated on the first electrode substrate to which the release film is attached (S3).

상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물은 양이온 교환 수지를 용매에 용해시켜 제조할 수 있다. The polymer electrolyte membrane-forming composition may be prepared by dissolving a cation exchange resin in a solvent.

상기 양이온 교환 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 양이온 고분자 수지는 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. As the cation exchange resin, any of a cationic 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 groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain.

상기 고분자 수지의 구체적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 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) 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.Specific 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 A hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of a polymer, a polyether-etherketone-based polymer, a polyphenylquinoxaline-based polymer, a copolymer thereof and a mixture thereof can be used, and more preferably poly (perfluorosulfonic acid). ), Poly (perfluorocarboxylic acid), copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid group, defluorinated sulfide polyether ketone, aryl ketone, poly (2,2'-m-phenyl Ethylene) -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole) copolymers thereof and these Mixture of It may be selected from selected from the group consisting of.

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 고분자 전해질 막 형성용 조성물은 고분자 전해질 막의 연료 투과도를 감소시키기 위하여 무기 첨가제를 더 포함할 수도 있다.The polymer electrolyte membrane-forming composition may further include an inorganic additive to reduce fuel permeability of the polymer electrolyte membrane.

상기 무기 첨가제로는 실리카(퓸드 실리카(fumed silica)를 들 수 있으며, 상품명으로 Aerosil, Cab-O-sil 등이 있음), 알루미나, 마이카, 제올라이트(상품명으로 SAPO-5, XSM-5, AIPO-5, VPI-5, MCM-41 등이 있음), 바륨티타네이트, 세라믹, 무기 실리케이트, 지르코늄 하이드로겐 포스페이트, α-Zr(Oa1PCHa2OH)a(Ob1PCb2Hb4SOb5H)b·nH2O(여기에서, a1, a2, a, b1, b2, b4, b5 및 b는 동일하거나 서로 독립적으로 0 내지 14의 정수이고, n은 0 내지 50의 정수임), ν-Zr(POa1)(Ha2POa3)a(HOb1PCb2Hb3SOb4H)b·nH2O(여기에서, a1, a2, a3, a, b1, b2, b3, b4 및 b는 동일하거나 서로 독립적으로 0 내지 14의 정수이고, n은 0 내지 50의 정수임), Zr(Oa1PCa2Ha3)aYb(여기에서, a1, a2, a3, a 및 b는 동일하거나 서로 독립적으로 0 내지 14의 정수임), Zr(Oa1PCHa2OH)aYb·nH2O(여기에서, a1, a2, a 및 b는 동일하거나 서로 독립적으로 0 내지 14의 정수이고, n은 0 내지 50의 정수임), α-Zr(Oa1PCa2Ha3SOa4H)a·nH2O(여기에서, a1, a2, a3, a4 및 a는 동일하거나 서로 독립적으로 0 내지 14의 정수이고, n은 0 내지 50의 정수임), α-Zr(Oa1POH)·H2O(여기에서, a1은 0 내지 14의 정수임), (P2O5)a(ZrO2)b(여기에서, a 및 b는 동일하거나 서로 독립적으로 0 내지 14의 정수임) 유리(glass) 및 P2O5-ZrO2-SiO2 유리로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 혼합물이 바람직하며, 무기 실리케이트를 사용하는 것이 가장 바람직하다.Examples of the inorganic additives include silica (fumed silica), trade names include Aerosil, Cab-O-sil, etc., alumina, mica, and zeolite (trade names SAPO-5, XSM-5, AIPO- 5, VPI-5, MCM-41, etc.), barium titanate, ceramic, inorganic silicate, zirconium hydrogen phosphate, α-Zr (O a1 PCH a2 OH) a (O b1 PC b2 H b4 SO b5 H) b · nH 2 O (where, a1, a2, a, b1 , b2, b4, b5 and b are the same or independently represent an integer of 0 to 14 to each other, n is an integer of 0 to 50), ν-Zr ( PO a1 ) (H a2 PO a3 ) a (HO b1 PC b2 H b3 SO b4 H) b nH 2 O (where a1, a2, a3, a, b1, b2, b3, b4 and b are the same or Independently of each other, an integer from 0 to 14, n is an integer from 0 to 50), Zr (O a1 PC a2 H a3 ) a Y b (where a1, a2, a3, a and b are the same or independently of each other) an integer of from 0 to 14), Zr (O a1 PCH a2 OH) a Y b · nH 2 O ( where, a1, a2, a and b are same or Are independently from 0 to 14, an integer to each other, n is an integer of 0 to 50), α-Zr (O a1 PC a2 H a3 SO a4 H) a · nH 2 O ( where, a1, a2, a3, a4 and a is the same or independently of each other is an integer from 0 to 14, n is an integer from 0 to 50), α-Zr (O a1 POH) H 2 O (where a1 is an integer from 0 to 14), (P 2 O 5 ) a (ZrO 2 ) b (where a and b are the same or independently of each other an integer from 0 to 14) glass and P 2 O 5 -ZrO 2 -SiO 2 One or more mixtures selected from the group consisting of glass are preferred, with inorganic silicates being most preferred.

상기 제조된 고분자 전해질 막 형성용 조성물은 800 내지 1500cps의 점도를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1000 내지 1200 cps의 점도를 가질 수 있다. 조성물의 점도가 800cps 미만이면 균일한 분산도와 안정성이 떨어지므로 바람직하지 않고, 1500cps를 초과하면 도포가 불균일하게 되어 바람직하지 않다.The prepared polymer electrolyte membrane-forming composition may have a viscosity of 800 to 1500 cps, more preferably 1000 to 1200 cps. If the viscosity of the composition is less than 800 cps, uniform dispersion and stability are inferior, and if it is more than 1500 cps, coating becomes uneven, which is not preferable.

이후 제조된 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 기계 혼합 또는 초음파 혼합의 방법에 의해 균일하게 혼합할 수도 있다.Thereafter, the prepared polymer electrolyte membrane-forming composition may be uniformly mixed by mechanical mixing or ultrasonic mixing.

상기와 같이 하여 제조된 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 촉매층이 형성되고, 상기 촉매층 형성부외의 가장자리부에 이형 필름이 부착된 제1전극 기재상에 도포한다. The composition for forming a polymer electrolyte membrane prepared as described above is coated on a first electrode substrate having a catalyst layer formed thereon and a release film attached to an edge portion outside the catalyst layer forming portion.

이때 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물의 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 슬롯다이(slot die)법, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 고분자 전해질 막을 균일한 두께로 도포할 수 있는 닥터 블레이드법을 사용할 수 있다. At this time, the coating process of the composition for forming the polymer electrolyte membrane is screen printing method, spray coating method, coating method using a doctor blade, gravure coating method, dip coating method, silk screen method, painting method, slot die ( slot die) method, and a combination thereof may be performed by a method selected from the group consisting of, but is not limited thereto. More preferably, the doctor blade method which can apply | coat a polymer electrolyte membrane to uniform thickness can be used.

이후 도포된 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 건조하여 고분자 전해질 층을 형성한다. 이와 같이 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 도포하여 촉매층위에 고분자 전해질 막을 형성함으로써 촉매층의 손상을 최소화할 수 있을뿐더러 고분자 전해질 막 제막과 동시에 막-전극 어셈블리를 제조할 수 있다.Thereafter, the coated polymer electrolyte membrane-forming composition is dried to form a polymer electrolyte layer. In this way, the polymer electrolyte membrane-forming composition may be applied to form a polymer electrolyte membrane on the catalyst layer, thereby minimizing damage to the catalyst layer and simultaneously manufacturing a membrane-electrode assembly.

상기 제1전극기재로부터 이형필름을 제거한다(S4).The release film is removed from the first electrode substrate (S4).

이어서 제2전극기재위에 촉매층을 형성하여 제조한 제2전극을 상기 고분자 전해질 막의 다른 일면에 접합(S5)하여 막-전극 어셈블리를 제조한다(S6). Subsequently, a second electrode manufactured by forming a catalyst layer on the second electrode substrate is bonded to the other surface of the polymer electrolyte membrane (S5) to prepare a membrane-electrode assembly (S6).

상기 제2전극을 형성하는 방법은 앞서 제1전극 형성방법과 동일하다. 또한 상기 고분자 전해질 막에 제2전극을 접착하는 방법은 물리적으로 접착하는 등의 통상의 방법으로 실시할 수 있다.The method of forming the second electrode is the same as the method of forming the first electrode. In addition, the method of adhering the second electrode to the polymer electrolyte membrane may be carried out by a conventional method such as physically adhering.

본 발명은 또한 상기와 같은 제조 방법으로 제조된 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also provides a membrane-electrode assembly manufactured by the above manufacturing method.

도 2는 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면 도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(10)는 고분자 전해질막(50) 및 상기 고분자 전해질막(50)의 양면에 각각 배치되는 상기 연료 전지용 전극(20, 20')을 포함한다. 상기 전극은 전극기재(40, 40')과 상기 전극기재 표면에 형성된 촉매층(30, 30')을 포함한다.2 is a schematic cross-sectional view of a membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention. Referring to FIG. 2, the membrane-electrode assembly 10 according to an embodiment of the present invention includes the polymer electrolyte membrane 50 and the fuel cell electrodes 20 and 20 disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 50, respectively. Include '). The electrode includes electrode substrates 40 and 40 'and catalyst layers 30 and 30' formed on the surface of the electrode substrate.

상기 막-전극 어셈블리(10)에서, 고분자 전해질막(50)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 전극기재(40)를 지나 촉매층(30)으로 전달된 연료로부터 수소이온과 전자를 생성시키는 산화반응을 일으키고, 고분자 전해질막(50)은 상기 애노드 전극(20)에서 발생한 수소이온을 캐소드 전극(20')으로 이동시키며, 캐소드 전극(20')은 상기 고분자 전해질막(50)을 통해 공급받은 수소이온과 전극기재(40')를 지나 촉매층(30')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원반응을 일으킨다. In the membrane-electrode assembly 10, the electrode 20 disposed on one surface of the polymer electrolyte membrane 50 is called an anode electrode (or a cathode electrode), and the 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 to the catalyst layer 30 through the electrode base 40, and the polymer electrolyte membrane 50 is hydrogen generated from the anode electrode 20. Ions are moved to the cathode electrode 20 ', and the cathode electrode 20' passes through the hydrogen ions supplied through the polymer electrolyte membrane 50 and the electrode base 40 'and is transferred to the catalyst layer 30'. Causes a reduction reaction to produce water.

본 발명은 또한 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.The present invention also provides a fuel cell system comprising a 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, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant such as oxygen or air to the electricity generation unit. Fuels in the present invention include hydrogen or hydrocarbon fuels in gas or liquid state. Representative examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 3에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 3에 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. 3, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 3 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 does not use a pump, but uses a fuel diffusion method. Of course, it can also be used in the battery system structure.

본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(115)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(120)와, 산화제를 상기 전기 발생부(115)로 공급하는 산화제 공급부(130)를 포함하여 구성된다. The fuel cell system 100 of the present invention includes at least one electricity generation unit 115 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, a fuel supply unit 120 for supplying the fuel, And an oxidant supply unit 130 for supplying an oxidant to the electricity generating unit 115.

또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(120)는 연료를 저장하는 연료 탱크(122), 연료 탱크(122)에 연결 설치되는 연료 펌프(124)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(124)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(122)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.In addition, the fuel supply unit 120 for supplying the fuel may include a fuel tank 122 storing fuel and a fuel pump 124 connected to the fuel tank 122. The fuel pump 124 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 122 by a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(115)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(130)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(132)를 구비한다.The oxidant supply unit 130 supplying the oxidant to the electricity generating unit 115 includes at least one oxidant pump 132 that sucks the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(115)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(112)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(114,114')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(115)가 적어도 하나 모여 스택(110)을 구성한다.The electricity generator 115 includes a membrane-electrode assembly 112 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant, and a separator 114 and 114 'for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly. At least one electricity generating unit 115 gathers to form 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)

Pt 블랙(Hispec® 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙(Hispec® 6000, Johnson Matthey사제) 촉매 3.0g에 10중량% 나피온(Nafion®, Dupont사제) 수계 분산액 4.5g을 적하한 후 기계적으로 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다. 상기 촉매층 형성용 조성물을 스크린 인쇄법으로 탄소지 전극 기재의 일면에 직접 코팅하여 캐소드 전극 및 애노드 전극을 각각 제조하였다. 이때 촉매층 형성 면적은 5 X 5 cm2이며 촉매 로딩량은 각각 3 mg/cm2 이다.Pt black (Hispec ® 1000, manufactured by Johnson Matthey) and Pt / Ru black (Hispec ® 6000, manufactured by Johnson Matthey) in 10 grams of Nafion (Nafion ® , 4.5 g of an aqueous dispersion was added dropwise, followed by mechanical stirring to prepare a composition for forming a catalyst layer. The catalyst layer forming composition was directly coated on one surface of the carbon paper electrode substrate by screen printing to prepare a cathode electrode and an anode electrode, respectively. At this time, the catalyst layer forming area is 5 X 5 cm 2 And the catalyst loading amount is 3 mg / cm 2 respectively.

상기 촉매층이 형성된 전극 기재에서 촉매층 미형성부분인 가장자리부에 촉매층 높이와 동일한 높이를 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌의 이형 필름을 부착하였다.In the electrode substrate on which the catalyst layer was formed, a release film of polytetrafluoroethylene having a height equal to the height of the catalyst layer was attached to an edge portion of the catalyst layer that is not formed.

별도로 상업적으로 시판되는 5중량% 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.사제, EW=1,100) 용액을 상온에서 교반하여 감압 증발시킨 후, 10중량%의 농도로 디메틸아세트아마이드(DMAc)를 첨가하고 100℃에서 24시간 기계적으로 교반하여 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조하였다.Separately, a commercially available 5 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc., EW = 1,100) solution was stirred at room temperature and evaporated under reduced pressure, and then dimethylacetamide (10 wt%) DMAc) was added and mechanically stirred at 100 ° C. for 24 hours to prepare a composition for polymer electrolyte membrane formation.

상기 제조된 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 상기 이형 필름이 부착된 전극 기재상에 닥터블레이드를 이용하여 도포한 후 건조하여 고분자 전해질 막을 형성하였다. 촉매층의 가장자리부에 부착된 이형 필름을 박리하여 제거하였다.The prepared polymer electrolyte membrane-forming composition was coated on the electrode substrate with the release film using a doctor blade and then dried to form a polymer electrolyte membrane. The release film attached to the edge of the catalyst layer was peeled off.

앞서와 동일한 방법으로 전극을 제조한 후 고분자 전해질막의 나머지 일면에 부착하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 제조된 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.After preparing the electrode in the same manner as before and attached to the remaining surface of the polymer electrolyte membrane to prepare a membrane-electrode assembly. The prepared membrane-electrode assembly was inserted between two gaskets, and then inserted into two separators having a predetermined gas flow channel and a cooling channel, and pressed between copper end plates to prepare a unit cell.

(실시예 2)(Example 2)

상업적으로 시판되는 5중량% 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.사제, EW=1,100) 용액을 상온에서 교반하여 감압 증발시킨 후, 10중량%의 농도로 디메틸아세트아마이드(DMAc)를 첨가하고 100℃에서 24시간 기계적으로 교반하여 수소 이온 전도성을 갖는 양이온 교환수지 용액(10중량% 나피온/DMF)을 제조하였다. 상기 양이온 교환 수지 100중량부에 대하여 몬모릴로나이트에 지지된 인텅스텐산의 무기 첨가제 3중량부를 더욱 분산시켜 제조된 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전 지를 제조하였다.A commercially available 5 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc., EW = 1,100) solution was stirred at room temperature and evaporated under reduced pressure, and then dimethylacetamide (DMAc) at a concentration of 10 wt%. ) And mechanical stirring at 100 ° C. for 24 hours to prepare a cation exchange resin solution (10 wt% Nafion / DMF) with hydrogen ion conductivity. It was carried out in the same manner as in Example 1 except for using a composition for forming a polymer electrolyte membrane prepared by further dispersing 3 parts by weight of an inorganic additive of phosphotungstic acid supported on montmorillonite with respect to 100 parts by weight of the cation exchange resin A cell was prepared.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

Pt 블랙(Hispec® 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙(Hispec® 6000, Johnson Matthey사제) 촉매 3.0g에 10wt% 나피온(Nafion®, Dupont사제) 수계 분산액 4.5g을 적하한 후 기계적으로 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다. 4.5 g of 10 wt% Nafion (Nafion ® , manufactured by Dupont) aqueous dispersion was added dropwise to 3.0 g of Pt black (Hispec ® 1000, manufactured by Johnson Matthey) and Pt / Ru black (Hispec ® 6000, manufactured by Johnson Matthey), and mechanically By stirring, a composition for forming a catalyst layer was prepared.

상기 촉매층 형성용 조성물을 스크린 인쇄법으로 탄소지 전극 기재의 일면에 직접 코팅하였다. 이때 촉매층 형성 면적은 5 X 5 cm2이며 촉매 로딩량은 각각 3 mg/cm2 이다.The composition for forming the catalyst layer was directly coated on one surface of the carbon paper electrode substrate by screen printing. At this time, the catalyst layer forming area is 5 X 5 cm 2 And the catalyst loading amount is 3 mg / cm 2 respectively.

별도로 상업적으로 시판되는 5중량% 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.사제, EW=1,100) 용액을 상온에서 교반하여 감압 증발시킨 후, 10중량%의 농도로 디메틸아세트아마이드(DMAc)를 첨가하고 100℃에서 24시간 기계적으로 교반하여 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조하였다.Separately, a commercially available 5 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc., EW = 1,100) solution was stirred at room temperature and evaporated under reduced pressure, and then dimethylacetamide (10 wt%) DMAc) was added and mechanically stirred at 100 ° C. for 24 hours to prepare a composition for polymer electrolyte membrane formation.

상기 제조된 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 유리 기재에 스크린 프린팅 법으로 도포한 후 건조하여 고분자 전해질 층을 형성하였다. 상기 고분자 전해질 층을 유리 기재로부터 분리하여 고분자 전해질 막을 제조하였다.The prepared polymer electrolyte membrane-forming composition was applied to a glass substrate by screen printing and then dried to form a polymer electrolyte layer. The polymer electrolyte layer was separated from the glass substrate to prepare a polymer electrolyte membrane.

상기 고분자 전해질 막의 양면에 전극을 각각 위치시킨 후 물질적으로 접착하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 제조된 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2 개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.Electrodes were placed on both sides of the polymer electrolyte membrane and then physically bonded to prepare a membrane-electrode assembly. The prepared membrane-electrode assembly was inserted between two gaskets, and then inserted into two separators in which gas flow channels and cooling channels of a certain shape were formed and pressed between copper end plates to prepare a unit cell.

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 단전지에 대하여 1M 메탄올 용액을 애노드 연료로 사용하고, 캐소드에 공기를 주입하여 70℃에서 전압-전류특성을 관찰하였다.1M methanol solution was used as an anode fuel for the cells prepared in Example 1 and Comparative Example 1, and air was injected into the cathode to observe voltage-current characteristics at 70 ° C.

측정 결과, 닥터 블레이드를 이용하여 제조된 고분자 전해질 막을 포함하는 실시예 1의 단전지는 통상의 고분자 전해질 막 제조방법에 의해 제조된 비교예 1의 단전지에 비해 우수한 출력밀도를 나타내었다. 이러한 결과는 비교예 1의 경우 고분자 전해질 막의 제조시 유리 기재로부터의 박리 공정 및 전극과의 접합 공정에서 고분자 전해질 막 및 촉매층에 손상이 발생하여 균일한 두께 및 패턴 형성이 되지 않았기 때문이며, 또한 실시예 1의 단전지는 고분자 전해질 막과 촉매층 사이의 접합력이 증가하여 계면 저항이 감소하였기 때문이다. As a result of the measurement, the unit cell of Example 1 including the polymer electrolyte membrane prepared using the doctor blade showed an excellent power density compared to the unit cell of Comparative Example 1 prepared by a conventional polymer electrolyte membrane production method. This result is because, in Comparative Example 1, the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer were damaged in the peeling process from the glass substrate and the bonding process with the electrode during the preparation of the polymer electrolyte membrane, and thus the uniform thickness and pattern were not formed. This is because the cell resistance of 1 decreases the interfacial resistance due to an increase in the bonding force between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer.

본 발명의 막-전극 어셈블리 제조 방법에 의해 막-전극 어셈블리를 용이하게 형성할 수 있으며, 제조 과정중 촉매층의 손상을 최소화할 수 있다. 또한 제조된 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 촉매층 사이의 저항이 최소화되어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다. The membrane-electrode assembly can be easily formed by the membrane-electrode assembly manufacturing method of the present invention, and damage to the catalyst layer can be minimized during the manufacturing process. In addition, the manufactured membrane-electrode assembly may minimize the resistance between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer to improve the performance of the fuel cell.

Claims (10)

제1전극 기재의 바깥 테두리로부터 안쪽으로 간격을 두고 상기 전극 기재의 일면에 촉매층을 형성하여 제1전극을 형성하는 단계;Forming a first electrode by forming a catalyst layer on one surface of the electrode substrate at intervals inwardly from an outer edge of the first electrode substrate; 상기 제1전극기재의 가장자리에 이형 필름을 부착하는 단계;Attaching a release film to an edge of the first electrode substrate; 상기 이형 필름이 부착된 제1전극기재 위에 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 도포하여 고분자 전해질 막을 형성하는 단계; Forming a polymer electrolyte membrane by applying a composition for forming a polymer electrolyte membrane on the first electrode substrate having the release film attached thereto; 상기 제1전극기재로부터 이형필름을 제거하는 단계; 및Removing the release film from the first electrode substrate; And 제2전극기재 위에 촉매층을 형성하여 제2전극을 제조하고, 제조된 상기 제2전극을 상기 고분자 전해질 막의 다른 일면에 접합시키는 단계Preparing a second electrode by forming a catalyst layer on a second electrode substrate, and bonding the prepared second electrode to the other surface of the polymer electrolyte membrane 를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.Method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물은 양이온 교환 수지를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.The polymer electrolyte membrane-forming composition is a method for producing a fuel cell membrane-electrode assembly comprising a cation exchange resin. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 양이온 교환 수지는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.The cation exchange 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. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물은 무기 첨가제를 더 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.The polymer electrolyte membrane-forming composition further comprises an inorganic additive. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물은 2000 내지 10000cps의 점도를 갖는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.The polymer electrolyte membrane-forming composition is a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell having a viscosity of 2000 to 10000cps. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물의 도포 공정은 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 슬롯다이(slot die)법, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 실시되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.The coating process of the composition for forming a polymer electrolyte membrane may include screen printing, spray coating, coating using a doctor blade, gravure coating, dip coating, silk screen, painting, slot die, and the like. The manufacturing method of the membrane-electrode assembly for fuel cells which is implemented by the method chosen from the group which consists of these combinations. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물의 도포 공정은 닥터 블레이드를 이용한 코팅법에 의해 실시되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.The method of applying the polymer electrolyte membrane-forming composition is a method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell that is carried out by a coating method using a doctor blade. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 이형 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌- 페르플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 에틸렌/테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.The release film is a polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene- perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, ethylene / tetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, poly Mead, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyester, copolymers thereof, and mixtures thereof. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 막-전극 어셈블리. A membrane-electrode assembly for a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 8. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부; At least one electricity generating unit comprising a membrane-electrode assembly and a separator manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 8, for generating electricity through the electrochemical reaction of the fuel and the oxidant; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부Oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generating unit 를 포함하는 연료 전지 시스템.Fuel cell system comprising a.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101458211B1 (en) * 2008-07-08 2014-11-04 주식회사 엘지화학 Secondary battery without independent seperator

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