KR20080041843A - Method of producing membrane-electrode assembly for fuel cell - Google Patents

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KR20080041843A KR1020060109955A KR20060109955A KR20080041843A KR 20080041843 A KR20080041843 A KR 20080041843A KR 1020060109955 A KR1020060109955 A KR 1020060109955A KR 20060109955 A KR20060109955 A KR 20060109955A KR 20080041843 A KR20080041843 A KR 20080041843A
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Abstract

A method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell is provided to obtain an electrode having excellent catalytic activity through a simple and easy process. A method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprises the steps of: applying a catalyst layer composition onto a donor film including a release substrate(32) formed on a support(30) to form a catalyst layer(34); disposing a polymer electrolyte membrane(36) so that the membrane faces the catalyst layer of the donor film; and irradiating laser beams in the direction from the donor film toward the polymer electrolyte. The laser beam irradiation step is performed under a dose of 5-20W.

Description

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

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 나타낸 도면.1A to 1C illustrate a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention.

도 2는 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.2 schematically illustrates the structure of a fuel cell system;

도 3a는 본 발명의 실시예 1의 막-전극 어셈블리 공정에서 LTHC에 촉매층이 형성된 상태의 SEM 사진.Figure 3a is a SEM photograph of the catalyst layer formed on the LTHC in the membrane-electrode assembly process of Example 1 of the present invention.

도 3a는 본 발명의 실시예 1의 막-전극 어셈블리 공정에서 고분자 전해질 막에 촉매층이 전사된 상태의 SEM 사진.Figure 3a is a SEM photograph of the catalyst layer transferred to the polymer electrolyte membrane in the membrane-electrode assembly process of Example 1 of the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 간단한 공정으로 촉매 활성이 우수한 전극을 갖는 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 having an electrode having excellent catalytic activity in a simple 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.The fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol, and natural gas into electrical energy.

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 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)이라 한다. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

상기 고분자 전해질형 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 높고, 상온에서 작동이 가능하며 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신 장비의 휴대용 전원, 군사용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용이 가능하다.The polymer electrolyte fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has high power density and energy conversion efficiency, can be operated at room temperature, and can be miniaturized and encapsulated. It can be widely used in fields such as portable power supply and military equipment.

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

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취습이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 특성에 기인하여, 소형 및 범용 이동용 전원으로서 적합한 시스템으로 인정되고 있다. 또한 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 새로운 휴대전원으로 주목받고 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 absorb the fuel and has a low operating temperature, and thus can be operated at room temperature. It is recognized as a suitable system for small and general purpose mobile power supplies. In addition, the stack configuration by stacking unit cells has the advantage that can produce a wide range of output, it is attracting attention as a new portable power source because it shows an energy density of 4-10 times compared to a small lithium battery.

본 발명의 목적은 간단하고 용이한 공정으로 촉매 활성이 우수한 전극을 제조할 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell which can produce an electrode having excellent catalytic activity in a simple and easy process.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 지지 기재에 이형 기재가 형성된 도너 필름에 촉매층 조성물을 도포하여 촉매층을 형성하고, 상기 도너 필름의 촉매층과 마주보도록 고분자 전해질 막을 위치시키고, 상기 도너 필름에서 고분자 전해질 막 방향으로 레이저 빔을 조사하는 공정을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is to apply a catalyst layer composition to a donor film having a release substrate formed on a support substrate to form a catalyst layer, to place a polymer electrolyte membrane to face the catalyst layer of the donor film, the polymer electrolyte in the donor film A method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising the step of irradiating a laser beam in the membrane direction.

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

연료 전지용 스택이란 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십개 적층된 구조를 말한다. 상기 막-전극 어셈블리는 애노드 전극 및 캐소드 전극과, 이 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 전극 기재와 이 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함한다. 또한 상기 세퍼레이터에는 유로가 형성되어 있어 연료 전지의 반응에 필요한 연료와 산화제를 공급하는 통로의 역할을 한다.The fuel cell stack refers to a structure in which several to tens of unit cells including a membrane-electrode assembly and a separator are stacked. The membrane-electrode assembly includes an anode electrode and a cathode electrode, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode. The anode electrode and the cathode electrode include an electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate. In addition, the separator has a flow path, which serves as a passage for supplying fuel and oxidant required for the reaction of the fuel cell.

따라서, 스택에 연료와 산화제가 공급되면, 세퍼레이터의 유로를 통해 상기애노드 전극과 캐소드 전극의 촉매층으로 연료와 산화제가 공급되어 연료 전지의 전기화학적 산화 환원 반응이 일어나게 된다.Therefore, when the fuel and the oxidant are supplied to the stack, the fuel and the oxidant are supplied to the catalyst layers of the anode electrode and the cathode electrode through the flow path of the separator to cause the electrochemical redox reaction of the fuel cell.

그러므로 실제 연료 전지의 촉매 반응은 세퍼레이터의 유로를 따라서만 발생되는데 반하여, 종래 연료 전지의 촉매층은 전극 기재의 전면에 형성됨에 따라 반응에 참여하지 않는 촉매 손실이 큰 문제가 있었으며, 특히 사용되는 촉매가 매우 고가이므로 경제적인 손실이 매우 컸다. 이에 따라 최근에는 세퍼레이터의 유로의 모양대로만 촉매층을 형성하는 방법에 대하여 연구되고 있다.Therefore, the actual catalytic reaction of the fuel cell is generated only along the flow path of the separator, whereas the catalyst layer of the conventional fuel cell is formed on the front surface of the electrode substrate, so there is a problem in that the catalyst loss that does not participate in the reaction is large. It was very expensive, so the economic loss was huge. Accordingly, the method of forming the catalyst layer only in the shape of the flow path of the separator has recently been studied.

유로 모양대로 촉매층을 형성하는 방법으로 전사법(decal transfer) 또는 잉크젯, 스크린 프린팅 방법 등이 연구되었다. 그러나 잉크젯 또는 스크린 프린팅 방법은 정밀하고 미세한 형상을 구현하기 어려워 유로와 동일한 형태, 특히 멀티 채널의 유로와 동일한 형태로 촉매층을 형성하기가 어려운 문제가 있었다.As a method of forming a catalyst layer in the shape of a flow path, a decal transfer method, an inkjet screen printing method, and the like have been studied. However, the inkjet or screen printing method has a problem in that it is difficult to form the catalyst layer in the same shape as the flow path, particularly in the same shape as the flow path of the multi-channel, because it is difficult to realize precise and fine shapes.

또한, 이형 기재에 전사하기 위한 목적 조성물을 코팅한 후, 이형 기재를 코팅층을 전사시킬 기재에 코팅층이 접촉하도록 위치시킨 후, 압연 등으로 코팅층을 전사하는 방법으로, 가장 유효한 것으로 시도되고 있다. 그러나 이 방법은 압연 공정에서 약 130℃의 온도로 100kgf/cm2의 압력을 3 내지 5분간 인가하는 공정을 실시함에 따라, 형성되는 촉매층이 너무 치밀해져 연료 및 산화제의 확산이 어려운 문제가 있었다.In addition, after coating the target composition for transferring to a release substrate, the release substrate is placed in such a manner that the coating layer is brought into contact with the substrate to which the coating layer is to be transferred, and then attempted to be the most effective method of transferring the coating layer by rolling or the like. However, this method is subjected to a process of applying a pressure of 100kgf / cm 2 for 3 to 5 minutes at a temperature of about 130 ℃ in the rolling process, there is a problem that the catalyst layer formed is too dense, the diffusion of fuel and oxidant is difficult.

본 발명자들은 이러한 문제를 해결하기 위한 연구를 진행하던 중 레이저 전사법(Laser Induced Thermal Imaging: LITI)을 이용하여 본 발명을 완성하였다. 이하 본 발명의 촉매층 형성 방법에 대하여 첨부된 도 1a 내지 도 1c를 참조로 보 다 자세하게 설명하기로 한다.The inventors of the present invention completed the present invention using laser induced thermal imaging (LITI) while working to solve such a problem. Hereinafter, the method for forming the catalyst layer of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 1A to 1C.

먼저, 도 1a에 나타낸 것과 같이 지지 기재(base film, 30)에 이형 기재(32)가 부착된 도너 필름(donor film)을 제조한다. 상기 지지 기재(30)로는 일반적으로 폴리에스테르 필름을 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 폴리(에틸렌)테레프탈레이트 또는 폴리(에틸렌 나프탈레이트) 필름을 사용할 수 있다. First, as shown in FIG. 1A, a donor film having a release substrate 32 attached to a base film 30 is manufactured. In general, a polyester film may be used as the support substrate 30, and a representative example thereof may be a poly (ethylene) terephthalate or poly (ethylene naphthalate) film.

또한 상기 이형 기재(32)로는 빛을 열로 전달하여 레이저 에너지를 열로 전환시킬 수 있는 층(light-to-heat conversion layer: LTHC layer)을 사용할 수 있다. 이러한 LTHC 층은 카본 블랙이 주성분인 물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 일반적으로 3M사에서 LTHC 층 용도로 시판되는 것을 사용할 수 있다. In addition, as the release substrate 32, a light-to-heat conversion layer (LTHC layer) may be used to transfer light into heat and convert laser energy into heat. The LTHC layer may be made of any material mainly composed of carbon black, and may be commercially available from LTM for the LTHC layer.

이어서, 도 1b에 나타낸 것과 같이, 상기 이형 기재(32)에 촉매, 바인더 및 용매를 포함하는 촉매 조성물을 도포하고, 건조하여 촉매층(34)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1B, a catalyst composition including a catalyst, a binder, and a solvent is applied to the release substrate 32 and dried to form a catalyst layer 34.

상기 촉매로는 연료 전지의 애노드 및 캐소드 전극에 사용되는 것은 모두 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전이 금속)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 들 수 있다.The catalyst may be used for both the anode and the cathode of the fuel cell, and representative examples thereof include platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M Is a transition metal selected from the group consisting of Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru, and combinations thereof. A catalyst more than a species is mentioned.

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, 지르 코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.In addition, such a metal catalyst may be used as the metal catalyst (black) itself, or may be supported on a carrier. As the carrier, carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball or activated carbon may be used, or alumina, silica, zirconia Inorganic fine particles such as titania and the like may be used, but carbon-based materials are generally used. In the case of using the noble metal supported on the carrier as a catalyst, a commercially available commercially available product may be used, or the noble metal supported on the carrier may be prepared and used. Since the process of supporting the precious metal on the carrier is well known in the art, detailed descriptions thereof will be readily understood by those skilled in the art even if the detailed description is omitted.

상기 바인더로는 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 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. It is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder, and more preferably have 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 present 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 or polyphenylquinoxaline polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene with fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole One containing at least one hydrogen ion conductive polymer selected from (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole) may be used.

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

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

상기 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 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.Examples of the nonconductive polymer include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer (PFA), and 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.

이어서, 도 1c에 나타낸 것과 같이, 연료 전지의 고분자 전해질 막(36)을 상기 촉매층(34)과 마주보도록 위치시킨 후, 상기 지지 기재 쪽에서 고분자 전해질 막 방향으로 레이저 빔을 조사한다. 레이저 빔 조사는 5 내지 20W의 에너지 조건 하에서 실시하는 것이 바람직하다. 상기 레이저 빔 조사를 5W 미만으로 실시하면 전사 효과가 미미하여 바람직하지 않고, 20W를 초과하는 경우에는 고분자가 열화되어 바람직하지 않다. 또한 상기 레이저 빔 조사는 0.1 내지 1m/분의 스윕 레이트(sweep rate)로 실시하는 것이 적당하다. Subsequently, as shown in FIG. 1C, the polymer electrolyte membrane 36 of the fuel cell is positioned to face the catalyst layer 34, and then the laser beam is irradiated toward the polymer electrolyte membrane toward the supporting substrate. It is preferable to perform laser beam irradiation under the energy conditions of 5-20W. If the laser beam irradiation is performed at less than 5W, the transfer effect is insignificant and undesirable. If the laser beam irradiation is performed at more than 20W, the polymer is deteriorated, which is not preferable. In addition, the laser beam irradiation is preferably carried out at a sweep rate of 0.1 to 1m / min.

상기 레이저 빔 조사에 따라 이형 기재(32)에 형성되어 있던 촉매층(34)이 레이저 빔 조사의 방향에 따라 고분자 전해질 막(36)의 일면으로 전사하게 된다. According to the laser beam irradiation, the catalyst layer 34 formed on the release substrate 32 is transferred to one surface of the polymer electrolyte membrane 36 in the direction of the laser beam irradiation.

또한 레이저 빔이 세퍼레이터의 유로와 동일한 형상을 그리도록 조사하거나또는 마스크를 사용하여, 세퍼레이터의 유로와 동일한 모양의 촉매층을 고분자 전해질 막에 형성한다. 따라서, 연료와 산화제가 공급되는 유로에 해당되는 부분에만 촉매층을 형성할 수 있으므로 연료 전지의 반응에 참여하지 않는 부분에 촉매층 형성에 따른 낭비를 막을 있으므로 경제적이다.Further, the laser beam is irradiated to have the same shape as the flow path of the separator, or a mask is used to form a catalyst layer having the same shape as the flow path of the separator in the polymer electrolyte membrane. Therefore, since the catalyst layer can be formed only in the portion corresponding to the flow path through which the fuel and the oxidant are supplied, it is economical because the waste due to the catalyst layer is prevented in the portion not participating in the reaction of the fuel cell.

상기 고분자 전해질 막으로는 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 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. The polymer electrolyte membrane is generally used as a polymer electrolyte membrane in a fuel cell, and any one made of a polymer resin having hydrogen ion conductivity may 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.

또한 상기 양이온 교환 수지는 이온 교환비가 3 내지 33이고, 당량 중량(equivalent weight: EW)이 700 내지 2,000인 것이 바람직하다. 상기 이온 교환 수지의 이온 교환비란, 고분자 주쇄(backbone)의 탄소 및 양이온 교환기의 수에 의하여 정의된다. 또한, 이온 교환비가 3 내지 33이면, 당량 중량이 700 내지 2,000에 해당된다. In addition, the cation exchange resin preferably has an ion exchange ratio of 3 to 33 and an equivalent weight (EW) of 700 to 2,000. The ion exchange ratio of the ion exchange resin is defined by the number of carbon and cation exchange groups in the polymer backbone. Moreover, when ion exchange ratio is 3-33, the equivalent weight corresponds to 700-2,000.

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

이러한 레이저 전사법은 원하는 모양을 매우 세밀하고 정교하게 형성할 수 있으므로, 종래 잉크젯 공정 등으로는 멀티 채널과 같은 복잡한 형태의 유로와 동일한 모양의 촉매층을 용이하게 형성할 수 없었던 것과 달리 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 데칼 전사법과는 달리 촉매층이 너무 치밀하게 형성되는 것을 방지할 수 있다.Since the laser transfer method can form a desired shape very finely and precisely, unlike the conventional inkjet process, a catalyst layer having the same shape as that of a complicated channel such as a multi-channel cannot be easily formed. Can be. In addition, unlike the decal transfer method, the catalyst layer can be prevented from being formed too densely.

본 발명의 촉매층 형성 방법은 애노드 전극 및 캐소드 전극용 촉매층 모두에 적용할 수 있다. 즉, 고분자 전해질 막의 일면에 촉매층을 형성시킨 후, 동일한 레이저 전사 공정을 촉매층이 형성되지 않은 고분자 전해질 막의 다른 일면에 형성하면 고분자 전해질 막의 양면에 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 작용하는 촉매층을 형성할 수 있다.The catalyst layer forming method of the present invention can be applied to both the anode and the cathode catalyst layers. That is, after the catalyst layer is formed on one surface of the polymer electrolyte membrane and the same laser transfer process is formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane in which the catalyst layer is not formed, a catalyst layer serving as an anode electrode and a cathode electrode can be formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane. .

상술한 공정으로 제조되는 고분자 전해질 막과 이 양면에 형성되는 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층의 외부면에 전극 기재를 위치시켜 본 발명의 막-전극 어셈블리를 구성한다.The electrode base material is placed on the outer surface of the polymer electrolyte membrane prepared by the above-described process, and the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer formed on both surfaces, thereby constructing the membrane-electrode assembly of the present invention.

상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며, 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. A conductive substrate is used as the electrode substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt or metal cloth (porous film or polymer composed of metal cloth in a fibrous state). It means that the metal film is formed on the surface of the cloth formed of fibers) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 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 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다. In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material because it can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, and fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene or copolymers thereof can be used.

또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. In addition, a microporous layer may be further included to enhance the reactant diffusion effect in the electrode substrate. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. The binder resin may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate Or copolymers thereof and the like can be preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. may be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

또한, 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.In addition, the fuel cell system of the present invention includes at least one electricity generating portion, a fuel supply portion and an oxidant supply portion.

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

상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant such as oxygen or air to the electricity generation unit.

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

본 발명의 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 않는 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 cell using a diffusion method without using a pump is shown. Of course, it can also be used for system architecture.

본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(7)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 1 of the present invention includes at least one electricity generation unit 3 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, a fuel supply unit 5 for supplying the fuel, And an oxidant supply unit 7 for supplying an oxidant to the electricity generation unit 3.

또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.In addition, the fuel supply unit 5 for supplying the fuel may include a fuel tank 9 storing fuel and a fuel pump 11 connected to the fuel tank 9. The fuel pump 11 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 9 by a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.The oxidant supply unit 7 for supplying the oxidant to the electricity generating unit 3 includes at least one oxidant pump 13 for sucking the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(19,19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(3)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다. The electricity generator 3 is composed of a membrane-electrode assembly 17 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant, and a separator 19 and 19 'for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly. At least one of these electricity generating units 3 constitutes a stack 15.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 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)

폴리에틸렌테레프탈레이트 지지 기재에 3M사에서 시판되는 카본 블랙이 주성분인 LTHC 층이 형성된 도너 필름에 탄소 담체에 담지된 Pt 촉매, 퍼플루오로설포네이트(상품명: Nafion) 바인더 및 증류수와 이소프로필 알코올의 혼합 용매(1 : 1 부피비)를 포함하는 촉매 조성물을 도포하고, 건조하여 촉매층을 형성하였다. 이때, 상기 촉매, 바인더 및 용매의 혼합 비율은 촉매 1g, 바인더 0.1g 및 용매를 3g 사용하였다A Pt catalyst, a perfluorosulfonate (trade name: Nafion) binder, and a mixture of distilled water and isopropyl alcohol supported on a carbon carrier in a donor film having an LTHC layer composed mainly of carbon black commercially available from 3M on a polyethylene terephthalate support substrate. The catalyst composition containing the solvent (1: 1 volume ratio) was apply | coated and dried, and the catalyst layer was formed. In this case, the mixing ratio of the catalyst, the binder and the solvent was 1 g of the catalyst, 0.1 g of the binder and 3 g of the solvent.

이어서, 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막과 상기 도너 필름을 상기 촉매층이 고분자 전해질 막쪽으로 위치하도록 마주보게 위치시켰다. 이어서, 상기 도너 필름의 지지 기재에서 고분자 전해질 막 쪽으로 레이저 빔을 조사하여, 고분자 전해질 막의 일면에 촉매층이 전사되도록 하였다. 상기 레이저 빔 조사 공정은 10W의 에너지로 0.5m/분의 조건으로 하였다. Next, a commercial Nafion 115 (perfluorosulfonic acid) polymer electrolyte membrane and the donor film were positioned facing the catalyst layer toward the polymer electrolyte membrane. Subsequently, a laser beam was irradiated from the supporting substrate of the donor film toward the polymer electrolyte membrane to transfer the catalyst layer to one surface of the polymer electrolyte membrane. The laser beam irradiation step was performed under conditions of 0.5 m / min with an energy of 10 W.

LTHC 층에 촉매층이 형성된 상태의 SEM 사진을 도 3a로 나타내었고, 고분자 전해질 막에 촉매층이 전사된 상태의 SEM 사진을 도 3b로 나타내었다.The SEM photograph of the catalyst layer formed on the LTHC layer is illustrated in FIG. 3A, and the SEM photograph of the catalyst layer transferred to the polymer electrolyte membrane is illustrated in FIG. 3B.

상기 레이저 전사 공정을 촉매층이 전사되지 않은 고분자 전해질의 다른 일면에도 동일하게 실시하여 고분자 전해질의 양면에 촉매층을 형성한 후, 촉매층에 카본지 전극 기재를 위치시켜, 막-전극 어셈블리를 제조하였다.The laser transfer process was similarly performed on the other surface of the polymer electrolyte in which the catalyst layer was not transferred, thereby forming catalyst layers on both sides of the polymer electrolyte, and then placing a carbon paper electrode substrate on the catalyst layer to prepare a membrane-electrode assembly.

상기 실시예의 방법은 전극을 종래보다 간편하고 쉽게 제조할 수 있어 경제적이고, 또한 우수한 촉매 활성을 나타낼 수 있다.The method of the above embodiment can produce the electrode simpler and easier than the conventional, it is economical and can exhibit excellent catalytic activity.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.All simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.

본 발명의 전극 제조 방법은 연료 전지용 전극을 경제적이고 용이하게 촉매 활성이 우수하게 제조할 수 있다.The electrode manufacturing method of the present invention can produce the fuel cell electrode with excellent catalytic activity economically and easily.

Claims (7)

지지 기재에 이형 기재가 형성된 도너 필름에 촉매층 조성물을 도포하여 촉매층을 형성하고;Applying a catalyst layer composition to a donor film having a release substrate formed on a support substrate to form a catalyst layer; 상기 도너 필름의 촉매층과 마주보도록 고분자 전해질 막을 위치시키고;Positioning the polymer electrolyte membrane to face the catalyst layer of the donor film; 상기 도너 필름에서 고분자 전해질 방향으로 레이저 빔을 조사하는Irradiating a laser beam toward the polymer electrolyte from the donor film 공정을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.A method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a step. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 레이저 빔 조사 공정은 5 내지 20W의 에너지 조건 하에서 실시하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.Wherein the laser beam irradiation step is performed under an energy condition of 5 to 20 W. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 지지 기재는 폴리에스테르인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.The support substrate is a method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 지지 기재는 (에틸렌)테레프탈레이트 또는 폴리(에틸렌 나프탈레이트) 필름인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.The supporting substrate is a (ethylene) terephthalate or poly (ethylene naphthalate) film manufacturing method for a fuel cell membrane-electrode assembly. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이형 기재는 빛을 열로 전달하여 레이저 에너지를 열로 전환시킬 수 있는 층(light-to-heat conversion layer: LTHC layer)인 연료 전지용 전극의 제조 방법.The release substrate is a light-to-heat conversion layer (LTHC layer) is a layer capable of transferring light to heat and converting laser energy into heat. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 레이저 빔은 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하게 되는 세퍼레이터의 유로와 동일한 모양을 그리도록 조사하는 것인 연료 전지용 전극의 제조 방법.Wherein the laser beam is irradiated to have the same shape as a flow path of a separator positioned on both sides of the membrane-electrode assembly. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 레이저 빔은 마스크를 사용하여 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하게 되는 세퍼레이터의 유로와 동일한 모양을 그리도록 조사하는 것인 연료 전지용 전극의 제조 방법.And the laser beam is irradiated to have the same shape as a flow path of a separator positioned on both sides of the membrane-electrode assembly using a mask.
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