KR20080044492A - Membrane electrode assembly for fuel cell, preparing method for same, and fuel cell system comprising same - Google Patents

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조성용
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Abstract

A membrane-electrode assembly for a fuel cell is provided to prevent a electrode substrate from being deformed or compressed by a pressurizing process, and to facilitate mass transfer through the pores of the electrode substrate, thereby improving the quality of a fuel cell. A membrane-electrode assembly for a fuel cell comprises: an anode(20') and a cathode(20) facing to each other; and a polymer electrolyte membrane(50) interposed between the anode and the cathode, wherein at least one of the anode and the cathode comprises an electrode substrate(40,40') including pores, and a catalyst layer(30,30') formed in the electrode substrate, wherein the pores in the electrode substrate is filled with a pore-maintaining polymer(42). The pore-maintaining polymer is selected from the group consisting of poly (meth)acrylic acid, polyvinyl alcohol, polyalkylene glycol, aliphatic polyester, and copolymers and blends thereof.

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 comprising 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.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제조시 가압 공정에 따른 전극 기재의 변형 및 눌림의 우려가 없고, 이에 따라 전극 기재내 기공을 통한 물질 이동을 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, there is no fear of deformation and crushing of an electrode substrate according to a pressing process during manufacturing, and thus, an electrode substrate. The present invention relates to a fuel cell membrane-electrode assembly, a method for manufacturing the same, and a fuel cell system including the same, capable of facilitating material movement through pores, thereby improving performance of a fuel cell.

[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)(또 는 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" 이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.In such a fuel cell system, the stack that substantially generates electricity is comprised of a number of unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a stacked structure of several tens. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") with a polymer electrolyte membrane 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 환원극인 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 막-전극 어셈블리의 제조시 가압 공정에 따른 전극 기재의 변형 및 눌림의 우려가 없고, 이에 따라 전극 기재내 기공을 통한 물질 이동을 용이하게 할 수 있어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.An object of the present invention is that there is no fear of deformation and crushing of the electrode substrate according to the pressing process in the manufacture of the membrane-electrode assembly, thereby facilitating material movement through the pores in the electrode substrate to improve the performance of the fuel cell. It is to provide a membrane-electrode assembly for a 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 연료전지 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, 기공을 포함하는 전극 기재와 상기 전극기재에 형성된 촉매층을 포함하며, 상기 전극 기재내 기공은 기공 유지용 고분자로 충진되어 있다.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 including pores and a catalyst layer formed on the electrode substrate, and the pores in the electrode substrate are filled with a pore holding polymer.

본 발명은 또한 기공을 갖는 전극 기재를 준비하고, 상기 전극 기재내 포함된 기공을 기공 유지용 고분자로 충진하고, 상기 기공 유지용 고분자로 충진된 기공을 포함하는 전극 기재위에 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질 막과 접합하거나, 또는 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 상기 전극 기재와 접합하는 단계를 포함하는 막-전극 어셈블리의 제조방법을 제공한다.The present invention also prepares an electrode substrate having pores, fills pores contained in the electrode substrate with a pore-maintaining polymer, and forms a catalyst layer on the electrode substrate including pores filled with the pore-maintaining polymer It provides a method of manufacturing a membrane-electrode assembly comprising the step of bonding with the electrode substrate after bonding to the electrolyte membrane, or to form a catalyst layer on the polymer electrolyte membrane.

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.

연료전지의 운전 특성은 막-전극 어셈블리에서의 전극 기재의 다공도(porosity), 평균 기공크기(average pore size), 기공크기 분포(pore size distribution), 전기 저항(electrical resistivity) 및 기체투과도(gas permeability) 등에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서, 연료전지의 성능을 향상시 키기 위해서는 전극 기재내 포함된 기공을 최적 상태로 유지하여 물질 이동에 대한 저항을 최소화하는 것이 중요하다. The operating characteristics of the fuel cell are characterized by the porosity, average pore size, pore size distribution, electrical resistivity and gas permeability of the electrode substrate in the membrane-electrode assembly. Greatly influenced by 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 electrode substrate in an optimal state.

통상적으로 막-전극 어셈블리는 전극 기재상에 촉매층을 적절한 기법을 사용하여 형성한 후 고분자 전해질 막과 열압착하여 제조된다. 그러나 전극 기재는 카본 페이퍼와 같은 유연한 물질로 상기 막-전극 어셈블리 제조시 가해지는 열 및 압력에 의해 전극 기재 및 전극 기재내 포함된 기공에 눌림 또는 변형이 발생하게 된다. 이에 따라 전극 기재가 본래 가지고 있는 기공도를 이용한 반응물 확산 능력을 제대로 발휘하기 어렵다. 결과 전극 기재에서의 물질이동에 대한 저항이 증가하게 되고 연료전지의 성능 저하가 초래하게 된다.Typically, the membrane-electrode assembly is prepared by forming a catalyst layer on an electrode substrate using a suitable technique and then thermocompression bonding with the polymer electrolyte membrane. However, the electrode substrate is made of a flexible material such as carbon paper, and the heat and pressure applied when the membrane-electrode assembly is manufactured will cause the electrode substrate and the pores contained in the electrode substrate to be pressed or deformed. Accordingly, it is difficult to properly exhibit the reactant diffusion ability using the porosity of the electrode substrate. As a result, the resistance to mass transfer in the electrode substrate is increased, resulting in a decrease in the performance of the fuel cell.

이에 대하여 본 발명에서는 수용성이면서 우수한 접착성을 갖는 기공 유지용 고분자로 기공이 충진된 전극 기재를 사용하여 막-전극 어셈블리를 제조함으로써, 제조시 가압 공정에 따른 전극 기재의 변형 및 눌림의 우려가 없고, 이에 따라 전극 기재내 기공을 통한 물질 이동을 용이하게 할 수 있어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다. In contrast, in the present invention, a membrane-electrode assembly is prepared using an electrode substrate filled with pores with a water-soluble polymer having excellent adhesion to pores, so that there is no fear of deformation and crushing of the electrode substrate due to the pressing process during manufacturing. Accordingly, material movement through the pores in the electrode substrate may be facilitated, thereby improving 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(50)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 50.

상기 캐소드 전극(20) 및 애노드 전극(20')은 각각 전극 기재(40, 40')와 촉 매층(30, 30')을 포함한다. The cathode electrode 20 and the anode electrode 20 'include an electrode substrate 40, 40' and a catalyst layer 30, 30 ', respectively.

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), 금속천((섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. As the electrode substrates 40 and 40 ', a conductive substrate may be used. Representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, and metal cloth (such as a metallic cloth in a fiber state). The metal film is formed on the surface of the fabric formed of the porous film or the polymer fiber (referred to as metalized polymer fiber) and a combination thereof 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 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene) 또는 플루오로에틸렌 폴리머 등이 사용될 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. As the fluorine-based resin, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene, or fluoroethylene polymer may be used.

또한 상기 전극 기재(40, 40')로는 반응물의 용이한 이동을 위하여 기공을 갖는 다공성인 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 전극 기재는 전극 기재 총 부피에 대하여 50 내지 90부피%의 기공도를 가질 수 있고, 보다 바람직하 게는 75 내지 85부피%의 기공도를 가질 수 있다. 전극 기재의 기공도가 50부피% 미만이면 연료의 원활한 분산과 부산물의 배출이 용이하지 않고 90부피%를 초과하면 눌림에 대한 기계적 저항성이 저하될수 있어 바람직하지 않다. In addition, the electrode substrates 40 and 40 ′ may be porous materials having pores for easy movement of the reactants. More preferably, the electrode substrate may have a porosity of 50 to 90% by volume with respect to the total volume of the electrode substrate, and more preferably may have a porosity of 75 to 85% by volume. If the porosity of the electrode substrate is less than 50% by volume, smooth dispersion of fuel and the discharge of by-products are not easy. If the porosity of the electrode substrate exceeds 90% by volume, the mechanical resistance to crushing may be lowered, which is not preferable.

상기 전극 기재(40, 40')내 기공은 또한 기공 유지용 고분자(42)에 의해 충진될 수 있다. The pores in the electrode substrates 40 and 40 'may also be filled by the pore retention polymer 42.

상기 기공 유지용 고분자는 수용성이며 우수한 접착력을 갖는 것으로, 구체적으로는 폴리(메타)아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리알킬렌글리콜, 지방족 폴리에스테르, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 이때 상기 알킬렌은 탄소수 1 내지 6의 알킬렌을 의미한다. 바람직하게는 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리테트라메틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리히드록시부티레이트, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. The pore-maintaining polymer is water-soluble and has excellent adhesion, and specifically, selected from the group consisting of poly (meth) acrylic acid, polyvinyl alcohol, polyalkylene glycol, aliphatic polyester, copolymers thereof, and mixtures thereof. It may be used, wherein the alkylene means alkylene having 1 to 6 carbon atoms. Preferably, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polytetramethylene glycol, polypropylene glycol, polyhydroxybutyrate, copolymers thereof, and mixtures thereof may be used. .

또한 상기 기공 유지용 고분자는 1000 내지 500000의 수평균 분자량을 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 20000 내지 200000의 수평균 분자량을 가질 수 있다. 기공 유지용 고분자의 수평균 분자량이 1000 미만이면 액상 형태로 기공유지 효과가 미미하며, 500000을 초과하면 높은 점도로 기공 침투가 바람직하지 않다.In addition, the pore-maintaining polymer may have a number average molecular weight of 1000 to 500000, more preferably may have a number average molecular weight of 20000 to 200000. If the number-average molecular weight of the pore-holding polymer is less than 1000, the pore-coating effect is insignificant in the liquid form, and if it exceeds 500,000, pore penetration is not preferable due to the high viscosity.

상기 기공 유지용 고분자는 전극 기재의 기공 총 부피에 대하여 5 내지 40부피%로 충진되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 내지 20부피%로 충진되는 것이 좋다. 기공 유지용 고분자의 충진량이 5부피% 미만이면 기공 유지 효과가 미 미하여 바람직하지 않고, 40부피%를 초과하면 오히려 기공을 막는 역할을 하여 물질 전달의 방해가 되어 바람직하지 않다.The pore holding polymer is preferably filled in 5 to 40% by volume, more preferably 10 to 20% by volume based on the total pore volume of the electrode substrate. If the filling amount of the pore-maintaining polymer is less than 5% by volume, the pore-holding effect is insignificant, and if it exceeds 40% by volume, it is rather undesirable because it serves to block the pores, thereby preventing mass transfer.

상기 기공 유지용 고분자(42)는 기공을 충진함으로써 전극 기재(40, 40')에 대해 강도를 제공하여 연료전지의 제조시 가압 공정에 의한 전극 기재(40, 40')의 눌림 및 이에 따른 변형을 방지할 수 있다. 또한, 상기 기공 유지용 고분자(42)는 이후 연료전지의 구동시 공급되는 연료에 의해 용해되게 된다. 이에 따라 연료전지의 구동시에는 전극 기재(40, 40')가 가지고 있던 기공을 원형대로 제공할 수 있어 가압조건에서도 전극 기재(40, 40')내 기공을 확보할 수 있고, 결과 전극 기재를 통한 물질 이동을 보다 원활하게 할 수 있다. 메탄올, 에탄올 연료전지나 물이 발생될 수 있는 수소 연료 전지 등에 적용시 보다 우수한 효과를 나타낼 수 있다.The pore-maintaining polymer 42 provides strength to the electrode substrates 40 and 40 'by filling the pores, thereby depressing and deforming the electrode substrates 40 and 40' by the pressurization process in the manufacture of the fuel cell. Can be prevented. In addition, the pore-maintaining polymer 42 is dissolved by the fuel supplied when the fuel cell is driven. As a result, when the fuel cell is driven, pores held in the electrode substrates 40 and 40 'can be provided in a circular shape, so that pores in the electrode substrates 40 and 40' can be secured even under a pressurized condition. Material movement through can be made more smooth. When applied to methanol, ethanol fuel cell or hydrogen fuel cell that can generate water, it can have a better effect.

뿐만 아니라 상기 기공 유지용 고분자(42)는 접착력을 갖기 때문에 막-전극 어셈블리 제조시 전극 기재(40, 40')와 촉매층(30, 30')간의 접착력을 향상시킬 수 있다.In addition, since the pore-maintaining polymer 42 has an adhesive force, the adhesion between the electrode substrates 40 and 40 'and the catalyst layers 30 and 30' may be improved when the membrane-electrode assembly is manufactured.

상기 전극 기재(40, 40')에는 촉매층(30, 30')이 위치한다.Catalyst layers 30 and 30 'are positioned on the electrode substrates 40 and 40'.

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

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, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 사용할 수 있다. 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, Pt/Ru/Sn/W, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 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. As the platinum-based catalyst, platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Transition metal selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, and combinations thereof), and a catalyst selected from the group consisting of combinations thereof. 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 / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, Pt / Ru / Sn / W, and mixtures thereof may 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 탄소계 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 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, 및 이들의 조합으로 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), 및 이들이 조합으로 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. 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 A hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of ether ketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers, and combinations thereof, and more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarr) Acids), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'- Hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole), and combinations thereof To Can be used.

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

상기 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 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, 소르비톨(Sorbitol), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 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 More preferably, they are selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid, sorbitol, copolymers thereof and mixtures thereof.

또한, 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리(151)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 151 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, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, 또는 N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드 등을 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, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like can be preferably used. The coating process may be a screen printing method, a spray coating method or a coating method using a doctor blade or the like depending on 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(50)을 포함한다.The membrane-electrode assembly 151 including the electrodes 20 and 20 'having the above structure includes the polymer electrolyte membrane 50 positioned between the anode and the cathode electrode.

고분자 전해질 막(50)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(50)으로는 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용하는 것이 바람직하다.The polymer electrolyte membrane 50 functions to ion exchange 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 50.

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, 및 이들이 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 조합으로 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 Ether ketone-based polymers, polyphenylquinoxaline-based polymers, and those selected from the group consisting of combinations thereof may be used, more preferably poly (perfluorosulfonic acid) (generally marketed as Nafion), poly ( Perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5 , 5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole) and combinations thereof Can use .

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

상기와 같은 구조를 갖는 막-전극 어셈블리는 기공을 갖는 전극 기재를 준비하는 단계; 상기 전극 기재내 포함된 기공을 기공 유지용 고분자로 충진하는 단계; 상기 기공 유지용 고분자로 충진된 기공을 포함하는 전극 기재 위에 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질 막과 접합하거나 또는 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 상기 전극 기재와 접합하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.The membrane-electrode assembly having the above structure comprises the steps of preparing an electrode substrate having pores; Filling the pores contained in the electrode substrate with a pore-maintaining polymer; Forming a catalyst layer on the electrode substrate including pores filled with the pore-maintaining polymer and then bonding to the polymer electrolyte membrane or forming a catalyst layer on the polymer electrolyte membrane and then bonding the electrode substrate to the electrode substrate. Can be prepared.

이하 보다 상세히 설명하면, 먼저 기공을 갖는 전극 기재를 준비한다.In more detail below, first, an electrode substrate having pores is prepared.

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

상기 전극 기재는 또한 기공 유지용 고분자로의 충진에 앞서 반응 부산물인 물의 배출을 용이하게 할 수 있도록 불소 계열 수지로 통상의 방법에 따라 발수 처리될 수도 있다.The electrode substrate may also be water-repellent treated with a fluorine-based resin according to a conventional method so as to facilitate the discharge of water, which is a reaction by-product, prior to filling with the pore-maintaining polymer.

다음으로 전극 기재내 포함된 기공을 기공 유지용 고분자로 충진한다.Next, the pores included in the electrode substrate are filled with a polymer for retaining pores.

보다 상세하게는 20 내지 70중량%의 농도, 보다 바람직하게는 30 내지 50중량%의 농도로 기공 유지용 고분자를 포함하는 조성물을 전극 기재내 기공을 충진한다. 이때 상기 조성물은 기공 유지용 고분자를 포함하는 수용액일수도 있고, 유기용액일 수도 있다. More specifically, the pores in the electrode substrate are filled with a composition containing a pore-maintaining polymer at a concentration of 20 to 70 wt%, more preferably 30 to 50 wt%. At this time, the composition may be an aqueous solution containing a pore-maintaining polymer, or may be an organic solution.

또한 상기 조성물중 기공 유지용 고분자의 농도가 20중량% 미만이면 전극 기재내 기공 유지용 고분자의 충진량이 작아 빈 공간을 형성하게 될 우려가 있어 바람직하지 않고, 또한 농도가 70중량%를 초과하면 기공 유지용 고분자 용액의 점도가 높아 전극 기재내 기공에 침투하지 못하여 기공을 충진시키기 어렵게 되어 바람직하지 않다. 기공 유지용 고분자는 앞서 설명한 바와 동일하다. 용매로는 극성을 나타내는 유기 용매가 바람직하며, 구체적으로는 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매, 디메틸아세트아미드등의 아미드계 용매, 디메틸설폭사이드 등의 설폭사이드계 용매 또는 N-메틸피롤리돈 등 극성의 용매가 사용될 수 있다. In addition, when the concentration of the pore-maintaining polymer in the composition is less than 20% by weight, the filling amount of the pore-maintaining polymer in the electrode substrate is small, which may form an empty space. The high viscosity of the polymer solution for oils and fats does not penetrate the pores in the electrode substrate, making it difficult to fill the pores. Pore retention polymer is the same as described above. As the solvent, an organic solvent showing polarity is preferable. Specifically, an alcohol solvent such as methanol, ethanol or isopropyl alcohol, an amide solvent such as dimethylacetamide, a sulfoxide solvent such as dimethyl sulfoxide or N-methyl Polar solvents such as pyrrolidone may be used.

상기 기공 유지용 고분자를 충진하는 단계는 침지법, 가압침지법, 감압침지법, 스프레이법, 닥터 블레이드법, 실크스크린법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 전극 기재내 기공을 진공화한 후 전극 기재를 기공 유지용 고분자 용액에 침전시키는 감압 침지법, 또는 전극 기재를 기공 유지용 고분자 용액에 침전시킨 후 고압을 가하는 가압 침지법을 이용할 수 있다.Filling the pore-maintaining polymer is preferably a method selected from the group consisting of dipping method, pressure dipping method, reduced pressure dipping method, spray method, doctor blade method, silk screen method and combinations thereof. More preferably, a vacuum immersion method in which the pores in the electrode substrate are evacuated and then the electrode substrate is precipitated in the polymer solution for pore maintenance may be used, or a pressure immersion method in which the electrode substrate is precipitated in the polymer solution for pore retention and applying a high pressure may be used. have.

이후 선택적으로 기공 유지용 고분자에 의해 충진된 기공을 포함하는 전극 기재에 대하여 미세 기공층을 형성할 수도 있다. Thereafter, a fine pore layer may be formed on the electrode substrate including the pores optionally filled with the pore holding polymer.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 형성할 수 있다.The microporous layer may be formed by coating a composition including a conductive powder, a binder resin, and a solvent on the electrode substrate.

다음으로 상기 기공 유지용 고분자로 충진된 기공을 포함하는 전극 기재위에 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질 막과 접합하거나, 또는 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 상기 전극 기재와 접합하여 막-전극 어셈블리를 제조한다.Next, a catalyst layer is formed on an electrode substrate including pores filled with the pore holding polymer and then bonded to a polymer electrolyte membrane, or a catalyst layer is formed on a polymer electrolyte membrane and then bonded to the electrode substrate to form a membrane-electrode assembly. Manufacture.

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, 촉매층 형성용 조성물을 전극 기재 또는 고분자 전해질 막에 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, 이 에 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 the catalyst layer may be directly applied to the electrode substrate or the polymer electrolyte membrane and then dried to form it. 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.

전사 코팅법에 의해 촉매층을 형성할 경우, 촉매층 형성용 조성물을 이형 필름에 도포하고 건조하여 촉매층을 형성하고 이를 열간 압연에 의해 전극 기재 또는 고분자 전해질 막으로 전사함으로써 촉매층을 형성할 수 있다. 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 and transferring it to an electrode substrate or a polymer electrolyte membrane by hot rolling.

상기 이형 필름으로는 200㎛ 내외의 두께를 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA) 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(Ethylene/Tetrafluoroethylene(ETFE)) 등의 불소계 수지 필름, 또는 폴리이미드(Kapton® DuPont 사제), 폴리에스테르(Mylar® DuPont 사제)등의 비불소계 고분자 필름을 사용할 수 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), and tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer having a thickness of about 200 μm. Fluorine resin films such as PFA) ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), or non-fluorine polymer films such as polyimide (manufactured by Kapton ® DuPont) and polyester (manufactured by Mylar ® DuPont) , The coating step of the composition for forming a catalyst layer on the release film is as described above.

전사 공정은 이형 필름에 형성된 촉매층을 고분자 전해질 막상에 위치시킨 후 열간 압연하여 전사시킨다. 열간 압연시 온도는 100 내지 250℃, 보다 바람직하게는 100 내지 200℃인 것이 바람직하다. 또한, 열간 압연시 압력은 300 내지 2000psi, 보다 바람직하게는 300 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 반응물의 유입 및 제거에 바람직하지 않다.In the transfer process, the catalyst layer formed on the release film is placed on the polymer electrolyte membrane and then hot rolled to transfer it. 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 from 300 to 2000 psi, more preferably from 300 to 1500 psi. Within the above temperature and pressure range, the catalyst layer is smoothly transferred, and if it is out of the above range, the catalyst layer is not completely transferred or the catalyst layer has an excessively dense structure.

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

상기와 같이 하여 제조된 막-전극 어셈블리는 전극 기재내 기공이 기공 유지용 고분자로 충진되어 있어, 제조시 가압에 의한 전극 기재의 눌림 및 변형을 방지하고, 이후 연료전지 구동시에는 연료에 의해 기공 유지용 고분자가 용해 됨으로써 전극 기재가 가진 본래의 기공을 제공할 수 있으므로 물질 이동을 용이하게 하여 연료 전지의 연료전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다. The membrane-electrode assembly manufactured as described above is filled with pores in the electrode substrate with a pore-maintaining polymer, thereby preventing the electrode substrate from being pressed and deformed by pressurization during manufacture, and then pore by fuel when driving the fuel cell. By dissolving the holding polymer, it is possible to provide the original pores of the electrode substrate, thereby facilitating material movement and improving the output characteristics of the fuel cell of the fuel cell.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.According to an 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, 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 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)를 갖는 스택(105)과, 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 a stack 105 having at least one electricity generator 150 for generating electrical energy through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, and a fuel supply unit for supplying the fuel. 101 and an oxidant supply unit 103 for supplying an oxidant 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 스택(105)의 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 of the stack 105 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 구성된다. The electricity generator 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.

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

전극 기재로서 200 ㎛의 두께와 80 부피%의 기공도를 가지며, 평균 기공 직경 1 ㎛의 기공이 형성된 탄소 페이퍼(도레이사제)를 준비하고, 상기 탄소 페이퍼 전극 기재를 40중량%의 폴리아크릴산 용액에 침지한 후 다시 꺼내어 건조시킴으로써 전극 기재의 기공 내부에 수 평균 분자량 300000을 갖는 폴리아크릴산을 채워넣었다. 기공에 균일하게 폴리아크릴산이 채워지도록 상기 과정을 수회 반복하였다. 이때 전극기재의 기공내 충진된 폴리아크릴산은 전극기재의 기공 총부피에 대하여 20부피%이었다.As an electrode substrate, a carbon paper (manufactured by Toray Corporation) having a thickness of 200 μm and a porosity of 80% by volume, and a pore having an average pore diameter of 1 μm was prepared, and the carbon paper electrode substrate was added to a 40% by weight polyacrylic acid solution. After immersion, it was taken out again and dried to fill a polyacrylic acid having a number average molecular weight 300000 into the pores of the electrode substrate. The process was repeated several times to uniformly fill the pores with polyacrylic acid. At this time, the polyacrylic acid filled in the pores of the electrode base material was 20% by volume relative to the total pore volume of the electrode base material.

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 준비하였다.Commercial NAFION 115 membranes (molecular weight: 50 ~ 800,000, thickness: 125㎛) were treated with 90% of 3% hydrogen peroxide and 0.5M sulfuric acid aqueous solution for 2 hours, and then washed with deionized water at 100 ° C for 1 hour and H + Type NAFION 115 membrane was prepared as a polymer electrolyte membrane.

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) mechanically By stirring, a composition for forming a catalyst layer was prepared.

상기 촉매층 형성용 조성물을 스크린 인쇄법으로 상기 고분자 전해질 막의 일면에 직접 코팅하였다. 이때 촉매층 형성 면적은 5 X 5 cm2이며 촉매 로딩량은 각각 3 mg/cm2 이다. 고분자 전해질 막의 나머지 일면에 대해서도 동일하게 실시하여 고분자 전해질막 양면에 대하여 애노드 전극과 캐소드 전극 촉매층을 각각 형성하였다.The catalyst layer forming composition was directly coated on one surface of the polymer electrolyte membrane 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. The same was true for the other side of the polymer electrolyte membrane to form an anode electrode and a cathode electrode catalyst layer on both sides of the polymer electrolyte membrane.

이후 촉매층이 형성된 고분자 전해질막의 양면에 상기 폴리아크릴산으로 충진된 기공을 포함하는 전극 기재를 물리적으로 접착하고, 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.Thereafter, the electrode substrate including the pores filled with the polyacrylic acid is physically bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane in which the catalyst layer is formed, inserted between two gaskets, and then a gas channel channel and a cooling channel having a predetermined shape are formed. A single cell was prepared by inserting into two separators and pressing between copper end plates.

[실시예 2]Example 2

전극 기재로서 50 부피%의 기공도를 갖는 탄소 천을 사용하고, 기공 유지용 고분자로서 수평균분자량 1000의 폴리비닐알코올을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다. 이때 전극기재의 기공내 충진된 폴리비닐알코올은 전극기재의 기공 총 부피에 대하여 40부피%이었다.A single cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that a carbon cloth having a porosity of 50% by volume was used as an electrode substrate and a polyvinyl alcohol having a number average molecular weight of 1000 was used as a pore-holding polymer. . At this time, the polyvinyl alcohol filled in the pores of the electrode base material was 40% by volume with respect to the total pore volume of the electrode base material.

[실시예 3]Example 3

전극 기재로서 90 부피%의 기공도를 갖는 탄소 페이퍼를 사용하고, 기공 유지용 고분자로서 수평균분자량 500000의 폴리에틸렌글리콜을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다. 이때 전극기재의 기공내 충진된 폴리에틸렌글리콜은 전극기재의 기공 총 부피에 대하여 5부 피%이었다.A single cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that carbon paper having a porosity of 90% by volume was used as the electrode substrate, and polyethylene glycol having a number average molecular weight of 500000 was used as the pore-holding polymer. . At this time, the polyethylene glycol filled in the pores of the electrode base material was 5% by volume based on the total pore volume of the electrode base material.

[실시예 4]Example 4

전극 기재로서 70 부피%의 기공도를 갖는 탄소 펠트를 사용하고, 기공 유지용 고분자로서 수평균분자량 300000의 폴리히드록시부티레이트를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다. 이때 전극기재의 기공내 충진된 폴리히드록시부티레이트는 전극기재의 기공 총 부피에 대하여 25부피%이었다.A single cell was carried out in the same manner as in Example 1 except that a carbon felt having a porosity of 70% by volume was used as an electrode substrate and a polyhydroxybutyrate having a number average molecular weight of 300000 was used as a pore-holding polymer. Prepared. At this time, the polyhydroxybutyrate filled in the pores of the electrode substrate was 25% by volume relative to the total pore volume of the electrode substrate.

[실시예 5]Example 5

전극 기재로서 200 ㎛의 두께와 80 부피%의 기공도를 가지며, 평균 기공 직경 1 ㎛의 기공이 형성된 탄소 페이퍼(도레이사제)를 준비하고, 상기 탄소 페이퍼 전극 기재를 40중량%의 폴리아크릴산 용액에 침지한 후 다시 꺼내어 건조시킴으로써 전극 기재의 기공 내부에 수 평균 분자량 300000을 갖는 폴리아크릴산을 채워넣었다. 기공에 균일하게 폴리아크릴산이 채워지도록 상기 과정을 수회 반복하였다. 이때 전극기재의 기공내 충진된 폴리아크릴산은 전극기재의 기공 총부피에 대하여 30부피%이었다.As an electrode substrate, a carbon paper (manufactured by Toray Corporation) having a thickness of 200 μm and a porosity of 80% by volume, and a pore having an average pore diameter of 1 μm was prepared, and the carbon paper electrode substrate was added to a 40% by weight polyacrylic acid solution. After immersion, it was taken out again and dried to fill a polyacrylic acid having a number average molecular weight 300000 into the pores of the electrode substrate. The process was repeated several times to uniformly fill the pores with polyacrylic acid. The polyacrylic acid filled in the pores of the electrode base material was 30% by volume relative to the total pore volume of the electrode base material.

이소프로필알코올 100ml중에 카본 블랙 5g, 및 폴리테트라플루오로에틸렌 2g을 혼합하여 제조한 미세기공층 형성용 조성물을 상기 기공충진된 전극기재위에 스크린 프린팅한 후 350℃에서 30분간 소결하여 미세기공층을 형성하였다.A microporous layer-forming composition prepared by mixing 5 g of carbon black and 2 g of polytetrafluoroethylene in 100 ml of isopropyl alcohol was screen printed on the pore-filled electrode substrate, and then sintered at 350 ° C. for 30 minutes to form a microporous layer. Formed.

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 준비하였다.Commercial NAFION 115 membranes (molecular weight: 50 ~ 800,000, thickness: 125㎛) were treated with 90% of 3% hydrogen peroxide and 0.5M sulfuric acid aqueous solution for 2 hours, and then washed with deionized water at 100 ° C for 1 hour and H + Type NAFION 115 membrane was prepared as a polymer electrolyte membrane.

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) mechanically By stirring, a composition for forming a catalyst layer was prepared.

상기 촉매층 형성용 조성물을 스크린 인쇄법으로 상기 고분자 전해질 막의 일면에 직접 코팅하였다. 이때 촉매층 형성 면적은 5 X 5 cm2이며 촉매 로딩량은 각각 3 mg/cm2 이다. 고분자 전해질 막의 나머지 일면에 대해서도 동일하게 실시하여 고분자 전해질막 양면에 대하여 애노드 전극과 캐소드 전극 촉매층을 각각 형성하였다.The catalyst layer forming composition was directly coated on one surface of the polymer electrolyte membrane 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. The same was true for the other side of the polymer electrolyte membrane to form an anode electrode and a cathode electrode catalyst layer on both sides of the polymer electrolyte membrane.

이후 촉매층이 형성된 고분자 전해질막의 양면에 상기 폴리아크릴산으로 충진된 기공을 포함하는 전극 기재를 물리적으로 접착하고, 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.Thereafter, the electrode substrate including the pores filled with the polyacrylic acid is physically bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane in which the catalyst layer is formed, inserted between two gaskets, and then a gas channel channel and a cooling channel having a predetermined shape are formed. A single cell was prepared by inserting into two separators and pressing between copper end plates.

[비교예 1]Comparative Example 1

폴리아크릴산의 충진없이 상기 실시예 1의 전극 기재를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.A single cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the electrode substrate of Example 1 was used without filling of polyacrylic acid.

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 단전지에 대하여 수소/공기 및 1M 메 탄올/공기하에서 전지 성능을 측정하고 전극 기재의 성능을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. For the cells prepared in Example 1 and Comparative Example 1, the battery performance was measured under hydrogen / air and 1M methanol / air, and the performance of the electrode substrate was evaluated. The results are shown in Table 1 below.

평가항목Evaluation item 실시예 1Example 1 비교예 1Comparative Example 1 60℃, 200mA/cm2에서의 운전전압(V)Operating voltage at 60 ℃, 200mA / cm 2 (V) 0.460.46 0.410.41

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 기재를 포함하는 실시예 1의 단전지는 동일한 운전조건 (1M 메탄올/공기(5ccpm/50ccpm), 200mA/cm2 at 60℃)에서 비교예 1의 단전지에 비해 높은 구동전압을 나타내어 우수한 출력밀도를 나타내는 것으로 확인되었다.As shown in Table 1, the unit cell of Example 1 including the electrode substrate according to the present invention of Comparative Example 1 under the same operating conditions (1M methanol / air (5ccpm / 50ccpm), 200mA / cm 2 at 60 ℃) Compared with a single cell, it showed a high drive voltage and showed the outstanding output density.

또한 상기 실시예 1 및 비교예 1의 단전지에 대하여 수소/공기(상대습도 100/75%) 조건에서 80℃ 운전시 기체투과도를 측정하였다. In addition, the gas permeability of the cells of Example 1 and Comparative Example 1 was measured at 80 ° C. under hydrogen / air (relative humidity 100/75%).

평가항목Evaluation item 실시예 1Example 1 비교예 1Comparative Example 1 기체 투과도 (cm3/cm2sec)Gas permeability (cm 3 / cm 2 sec) 0.460.46 0.410.41

측정 결과, 실시예 1에서의 전극 기재는 비교예 1의 전극 기재에 비하여 높은 기체 투과도를 나타내었다. 이로부터 실시예 1의 전극기재가 비교예 1의 전극 기재에 비해 기체반응물의 확산 저항(diffusion resistance)이 낮아 높은 거얼리 수(Gurley Number)를 나타내는 동시에 연료전지 구동시 물질 이동(mass transport)에 의해 발생하는 한계 전류가 높아 우수한 전지특성을 나타낼 것임을 예상할 수 있었다.As a result of the measurement, the electrode substrate in Example 1 showed a higher gas permeability than the electrode substrate of Comparative Example 1. As a result, the electrode substrate of Example 1 has a lower diffusion resistance of the gaseous reactants than the electrode substrate of Comparative Example 1, thus exhibiting a high Gurley Number and at the mass transport during fuel cell operation. It can be expected that the high limit current generated by the battery will exhibit excellent battery characteristics.

상기 실시예 2 내지 5의 단전지에 대해서도 상기와 동일한 방법으로 실시하여 기체 투과도를 측정하였다.Gas permeability was measured also by the same method as the above about the unit cells of the said Examples 2-5.

결과, 실시예 1에서와 동등한 수준의 기체 투과도를 나타내었다. As a result, the gas permeability was the same level as in Example 1.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리는, 제조시 가압 공정에 따른 전극 기재의 변형 및 눌림의 우려가 없고, 이에 따라 전극 기재내 기공을 통한 물질 이동을 용이하게 할 수 있어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell according to the present invention has no fear of deformation and crushing of the electrode substrate due to the pressurization process during manufacture, thereby facilitating material movement through pores in the electrode substrate, thereby improving the performance of the fuel cell. Can be improved.

Claims (22)

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 기공을 포함하는 전극 기재; 및 An electrode substrate including pores; And 상기 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함하며,It includes a catalyst layer formed on the electrode substrate, 상기 전극 기재내 기공은 기공 유지용 고분자에 의해 충진된 것인 The pores in the electrode substrate is filled with a pore holding polymer 연료전지용 막-전극 어셈블리.Membrane-electrode assembly for fuel cell. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 기공 유지용 고분자는 폴리(메타)아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리알킬렌글리콜, 지방족 폴리에스테르, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The pore-maintaining polymer is selected from the group consisting of poly (meth) acrylic acid, polyvinyl alcohol, polyalkylene glycol, aliphatic polyester, copolymers thereof, and mixtures thereof. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 기공 유지용 고분자는 1000 내지 500000의 수평균 분자량을 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The pore-maintaining polymer is a fuel cell membrane-electrode assembly having a number average molecular weight of 1000 to 500000. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 기공 유지용 고분자는 전극 기재의 기공 총 부피에 대하여 5 내지 40부피%로 포함되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The pore-maintaining polymer is a fuel cell membrane-electrode assembly that is contained in 5 to 40% by volume based on the total pore volume of the electrode substrate. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 전극 기재는 탄소 페이퍼, 탄소 천, 탄소 펠트, 금속 천 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The electrode substrate is a fuel cell membrane-electrode assembly selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, carbon felt, metal cloth and combinations thereof. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 전극 기재는 전극 기재 총 부피에 대하여 50 내지 90부피%의 기공도를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The electrode substrate is a fuel cell membrane-electrode assembly having a porosity of 50 to 90% by volume relative to the total volume of the electrode substrate. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 막-전극 어셈블리는 전극 기재와 촉매층 사이에 미세 기공층을 더 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.The membrane-electrode assembly further comprises a microporous layer between the electrode substrate and the catalyst layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 미세기공층은 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼, 카본 나노 링, 카본 에어로겔, 카본 크레로겔, 플러렌 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 에서 선택된 도전성 분말을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리. The microporous layer includes carbon powder, carbon black, acetylene black, ketjen black, activated carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanohorn, carbon nano ring, carbon aerogel, carbon cregel, fullerene and Membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a conductive powder selected from the group consisting of a mixture thereof. 기공을 갖는 전극 기재를 준비하는 단계;Preparing an electrode substrate having pores; 상기 전극 기재내 포함된 기공을 기공 유지용 고분자로 충진하는 단계;Filling the pores contained in the electrode substrate with a pore-maintaining polymer; 상기 기공 유지용 고분자로 충진된 기공을 포함하는 전극 기재위에 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질 막과 접합하거나, 또는 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 상기 전극 기재와 접합하는 단계Forming a catalyst layer on the electrode substrate including pores filled with the pore-maintaining polymer and then bonding it to the polymer electrolyte membrane, or forming a catalyst layer on the polymer electrolyte membrane and then bonding it to the electrode substrate 를 포함하는 막-전극 어셈블리의 제조방법.Method of manufacturing a membrane-electrode assembly comprising a. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 전극 기재는 전극 기재 총 부피에 대하여 50 내지 90부피%의 기공도를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.Wherein the electrode substrate has a porosity of 50 to 90% by volume with respect to the total volume of the electrode substrate. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 기공 유지용 고분자는 폴리(메타)아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리알킬렌글리콜, 지방족 폴리에스테르, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, wherein the pore-maintaining polymer is selected from the group consisting of poly (meth) acrylic acid, polyvinyl alcohol, polyalkylene glycol, aliphatic polyester, copolymers thereof, and mixtures thereof. . 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 기공 유지용 고분자는 1000 내지 500000의 수평균 분자량을 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The method for manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell that the pore-maintaining polymer has a number average molecular weight of 1000 to 500000. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 충진 단계는 침지법, 가압침지법, 감압침지법, 스프레이법, 닥터 블레이드법, 실크스크린법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 실시되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The filling step is performed by a method selected from the group consisting of dipping method, pressure dipping method, reduced pressure dipping method, spray method, doctor blade method, silk screen method and a combination thereof to manufacture a membrane-electrode assembly for a fuel cell Way. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;A membrane-electrode assembly comprising an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, and a separator, and generating electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant At least one electricity generating unit; 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 공급부를 포함하며,An oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generating unit, 상기 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극중 적어도 하나는 기공을 포함하는 전극 기재; 및 상기 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함하며,At least one of the anode electrode and the cathode electrode includes an electrode substrate including pores; And a catalyst layer formed on the electrode substrate, 상기 전극 기재내 기공은 기공 유지용 고분자에 의해 충진된 것인 연료 전지 시스템.The pores in the electrode substrate is filled with a pore holding polymer. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 기공 유지용 고분자는 폴리(메타)아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리알킬 렌글리콜, 지방족 폴리에스테르, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.The pore-maintenance polymer is selected from the group consisting of poly (meth) acrylic acid, polyvinyl alcohol, polyalkylene glycol, aliphatic polyester, copolymers thereof, and mixtures thereof. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 기공 유지용 고분자는 1000 내지 500000의 수평균 분자량을 갖는 것인 연료 전지 시스템.The pore-maintaining polymer is a fuel cell system having a number average molecular weight of 1000 to 500000. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 기공 유지용 고분자는 전극 기재의 기공 총 부피에 대하여 5 내지 40부피%로 포함되는 것인 연료 전지 시스템.The pore holding polymer is 5 to 40% by volume based on the total pore volume of the electrode substrate. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 기공 유지용 고분자는 연료 전지의 작동시 공급되는 연료에 용해되어 제거되는 것인 연료 전지 시스템.The pore-maintaining polymer is dissolved in and removed from the fuel supplied during operation of the fuel cell. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 전극 기재는 탄소 페이퍼, 탄소 천, 탄소 펠트, 금속 천 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.Wherein said electrode substrate is selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, carbon felt, metal cloth, and combinations thereof. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 전극 기재는 전극 기재 총 부피에 대하여 50 내지 90부피%의 기공도를 갖는 것인 연료 전지 시스템.The electrode substrate is a fuel cell system having a porosity of 50 to 90% by volume relative to the total volume of the electrode substrate. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 막-전극 어셈블리는 전극 기재와 촉매층 사이에 미세 기공층을 더 포함하는 것인 연료 전지 시스템.The membrane-electrode assembly further comprises a microporous layer between the electrode substrate and the catalyst layer. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 미세기공층은 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼, 카본 나노 링, 카본 에어로겔, 카본 크레로겔, 플러렌 및 이들의 혼합물으로 이루어진 군에서 선택된 도전성 분말을 포함하는 것인 연료 전지 시스템. The microporous layer includes carbon powder, carbon black, acetylene black, ketjen black, activated carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanohorn, carbon nano ring, carbon aerogel, carbon cregel, fullerene and A fuel cell system comprising a conductive powder selected from the group consisting of a mixture thereof.
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