KR20080054285A - 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체는, 전해질막; 및 상기 전해질막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하며, 각각 촉매층 및 기체확산층을 포함하여 이루어지는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고, 상기 기체확산층은 기재; 및 상기 기재의 촉매층과 대향하는 면에 형성되는 격자형 미세기공층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에 따르면, 개선된 구조의 미세기공층을 채용함으로써, 전해질막 내에 함수율이 향상되고 연료 및 산화제가 촉매층 전 영역에 균일하게 공급될 뿐만 아니라, 낮은 물질전달저항으로 연료 및 산화제가 원활하게 공급되어 우수한 성능을 갖는다.
연료전지, 막-전극 접합체, 전해질막, 기체확산층, 촉매층, 미세기공층

Description

연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지{Membrane-electrode assembly of fuel cell and fuel cell}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 실시예에서 전해질막 위에 촉매층 및 미세기공층이 형성된 모습을 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명은 연료전지의 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것으로, 미세기공층의 구조 개선으로 물질전달저항(material transfer resistance)이 감소되어 우수 한 성능을 갖는 연료전지의 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막-전극 접합체(MEA)로서, 이는 전해질막과 전해질막 양면에 형성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1 및 반응식 1(수소를 연료로 사용한 경우의 연료전지의 반응식)을 참조하면, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서는 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
애노드 전극: H2 → 2H++2e-
캐소드 전극: 1/2O2+2H++2e- → H2O
전체 반응식: H2+1/2O2 → H2O
연료전지에는 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다.
고분자전해질형 연료전지는 전해질로서 액체가 아닌 고체 고분자 전해질막을 사용한다는 점에서 다른 연료전지와 차이가 있다. 고분자 전해질막은 함수율이 증가할수록 이온전도도가 높아지는 경향을 보이므로 고분자 전해질막은 항상 일정 정도 이상의 수분을 유지시켜 주어야 한다. 따라서, 기체확산층에는 전해질막과 촉매층의 물이 쉽게 빠져나가지 못하도록 미세기공층이 형성된다. 미세기공층은 전도성 분말 및 소수성 결착제로 형성되어 미세한 기공을 가지므로 촉매층에서 기체확산층으로의 물의 배출을 적절하게 조절한다. 미세기공층은 또한 연료 및 산화제가 촉매층의 전 영역에 균일하게 분산시켜 촉매의 국부적인 반응 없이 전체 촉매층에서 반응이 일어날 수 있도록 유도하는 역할을 한다.
그러나, 미세기공층 내의 미세 유로는 결과적으로 액상인 물과 기상인 연료가 공유해야 하는 것이므로, 미세기공층은 연료전지의 계속적인 운행에서 막-전극 접합체의 물질전달저항(material transfer resistance)을 크게 하여 오히려 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하려는 노력이 관련 분야에서 꾸준하게 이루어져 왔으며, 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출된 것이다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 막-전극 접합체의 전해질막 내에 함수율을 향상시키고, 연료 및 산화제를 균일하게 확산시킬 뿐만 아니라, 낮은 물질전달저항으로 연료 및 산화제가 원활하게 공급될 수 있도록 함에 있으며, 이러한 기술적 과제를 달성할 수 있는 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명은, 전해질막; 및 상기 전해질막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하며, 각각 촉매층 및 기체확산층을 포함하여 이루어지는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고, 상기 기체확산층은 기재; 및 상기 기재의 촉매층과 대향하는 면에 형성되는 격자형 미세기공층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.
상기 미세기공층은 도전제 및 소수성 결착제를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 도전제로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되 는 것이, 상기 소수성 결착제로는 폴리불화비닐, 폴리불화비닐리덴, 폴리트리플루오로클로로비닐, 불화비닐리덴-테트라플루오로에틸렌공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-프로필렌공중합체, 퍼플루오로에틸렌 및 테트라플루오로에틸렌-에틸렌공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 미세기공층에서의 소수성 결착제의 중량비는 5 내지 50 중량%인 것이 바람직하다.
상기 미세기공층은 대표적으로 분사(spraying), 스크린날염(screen printing), 슬로트 다이 코팅(slot die coating), 그라비아 코팅(gravure coating), 바 코팅(bar coating), 콤마 코팅(comma coating), 립 코팅(lip coating) 또는 블레이드 코팅(blade coating) 등의 방법으로 형성될 수 있고, 상기 미세기공층의 두께는 10 내지 100㎛인 것이 바람직하다.
상기 격자형 미세기공층의 격자지름은 100 내지 5000㎛인 것이 바람직하며, 상기 격자형 미세기공층의 격자간 간격은 100 내지 5000㎛인 것이 바람직하다.
상기 고분자 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 애노드 전극의 촉매층은 대표적으로 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어 진 군에서 선택되는 촉매를 포함할 수 있고, 상기 캐소드 전극의 촉매층은 대표적으로 백금 및 백금-전이금속 합금을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 촉매들은 그 자체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 도전성 담체에 담지되어 사용될 수 있다. 상기 촉매층은 이온 전도성 단량체 또는 글리세롤류 물질을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 기체확산층은 대표적으로 탄소페이퍼, 탄소천 또는 탄소펠트를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 막-전극 접합체는 고분자전해질형 연료전지 또는 직접메탄올 연료전지에 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 하나 또는 둘 이상의 본 발명의 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및 산화제를 상기 전기발생부로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2의 실시예에서 전해질막 위에 촉매층 및 미세기공층이 형성된 모습을 보인 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에 대하여 살펴본다.
본 발명의 막-전극 접합체는 전해질막(200); 및 상기 전해질막(200)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하며, 각각 촉매층(203, 205) 및 기체확산층을 포함하 여 이루어지는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함한다. 상기 기체확산층은 기재(209); 및 상기 기재(209)의 촉매층과 대향하는 면에 형성되는 미세기공층(208);을 포함하여 이루어지며, 상기 미세기공층(208)은 격자형으로 형성된다.
상기 미세기공층(208)이 격자형으로 형성됨으로써, 물질전달저항이 큰 물은 미세기공층(208)의 각 격자 사이사이의 일반공극을 통해, 기상 연료 및 산화제와 생성된 기체는 각 격자 내의 미세공극 또는 격자 사이의 일반공극으로 원활히 이동할 수 있다.
상기 미세기공층(208)은 도전제 및 소수성 결착제를 포함하여 이루어지는 것이 바람직한데, 상기 도전제로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 것이, 상기 소수성 결착제로는 폴리불화비닐, 폴리불화비닐리덴, 폴리트리플루오로클로로비닐, 불화비닐리덴-테트라플루오로에틸렌공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-프로필렌공중합체, 퍼플루오로에틸렌 및 테트라플루오로에틸렌-에틸렌공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 미세기공층(208)에서의 소수성 결착제의 중량비는 5 내지 50 중량%인 것이 바람직하다. 상기 소수성 결착제의 중량비의 상한을 초과할 경우 미세기공층(208)의 전도성이 지나치게 낮아지며, 상기 하한에 미달할 경우 수분의 이동이 어려워 바람직하지 못하다.
상기 미세기공층(208)은 대표적으로 분사(spraying), 스크린날염(screen printing), 슬로트 다이 코팅(slot die coating), 그라비아 코팅(gravure coating), 바 코팅(bar coating), 콤마 코팅(comma coating), 립 코팅(lip coating) 또는 블레이드 코팅(blade coating) 등의 방법으로 형성될 수 있다, 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 미세기공층(208)의 두께는 10 내지 100㎛인 것이 바람직하다. 미세기공층(208)의 두께가 상기 상한을 초과할 경우 전자의 이동 및 물질 전달이 어려우며, 상기 하한에 미달될 경우 촉매층(203, 205))으로의 물질의 확산이 균일하게 이루어지지 않으며 전해질막 내에서의 수분 함유량이 적어져 바람직하지 못하고, 상기 상한의 경우 격자 형태의 유지가 어려울 수 있고, 또한 기상의 물질전달에 큰 저항을 줄 수 있다.
상기 격자형 미세기공층(208)의 격자지름은 100 내지 5000㎛인 것이 바람직하며, 상기 격자형 미세기공층(208)의 격자간 간격은 100 내지 5000㎛인 것이 바람직하다. 격자지름이 상기 상한을 초과하면 물의 이동이 어려워지고, 상기 하한에 미달하면 연료 및 산화제의 균일한 확산이 어려워져 바람직하지 못하다. 격자간 간격이 상기 상한을 초과하면 전해질막(200) 내의 수분 함유량이 떨어지고 연료의 균일한 확산이 어려워 바람직하지 못하며, 상기 하한에 미달하면 물의 이동이 어려워져 바람직하지 못하다.
상기 기재(209)는 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물을 이동시키고 확산시키는 곳으로, 대표적으로 탄소페이퍼, 탄소천 또는 탄소펠트를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 전해질막(200)은 애노드 전극에서 발생한 수소 이온이 캐소드 전극으로 전달되는 전달 통로가 되는 것으로, 전해질막(200)에는 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 또는 염기가 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 애노드 전극은 연료의 산화 반응이 일어나는 곳으로, 그 촉매층(203)에는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 캐소드 전극은 산화제의 환원 반응이 일어나는 곳으로, 그 촉매층(205)에는 백금 및 백금-전이금속 합금이 촉매로 사용될 수 있다. 상기 촉매들은 도전성 담체에 담지되어 사용될 수 있으며, 대표적인 담체로는 덴카블랙, 아세틸렌블랙, 흑연 등의 탄소계 담체를 들 수 있다. 상기 촉매층은 이온전도도를 향상시키고 물의 유동을 감소시키기 위하여 이온 전도성 단량체 또는 소수성 결착제를 더 포함할 수 있다.
상기 막-전극 접합체는 고분자전해질형 연료전지에 가장 효과적으로 사용될 수 있으며, 역시 고분자 전해질막을 사용하는 직접메탄올형 연료전지에도 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 본 발명의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이 다. 도 4을 참조하면, 본 발명의 연료전지는 스택(200), 연료공급부(400) 및 산화제공급부(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 스택(200)은 본 발명의 막-전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다 상기 세퍼레이터는 막-전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막-전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.
상기 연료 공급부(400)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(410) 및 연료탱크(410)에 저장된 연료를 스택(200)으로 공급하는 펌프(420)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.
상기 산화제 공급부(300)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다.　 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(300)로 주입하여 사용할 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되지 않아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시 점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에 따르면, 개선된 구조의 미세기공층을 채용함으로써, 전해질막 내에 함수율이 향상되고 연료 및 산화제가 촉매층 전 영역에 균일하게 공급될 뿐만 아니라, 낮은 물질전달저항으로 연료 및 산화제가 원활하게 공급되어 우수한 성능을 갖는다.

Claims (19)

  1. 전해질막; 및 상기 전해질막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하며, 각각 촉매층 및 기체확산층을 포함하여 이루어지는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고,
    상기 기체확산층은 기재; 및 상기 기재의 촉매층과 대향하는 면에 형성되는 격자형 미세기공층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세기공층은 도전제 및 소수성 결착제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 도전제는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 소수성 결착제는 폴리불화비닐, 폴리불화비닐리덴, 폴리트리플루오로클로로비닐, 불화비닐리덴-테트라플루오로에틸렌공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-프로필렌공중합체, 퍼플루오로에틸렌 및 테트라플루오로에틸렌-에틸렌공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 미세기공층에서의 소수성 결착제의 중량비는 5 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기의 미세기공층은 분사(spraying), 스크린날염(screen printing), 슬로트 다이 코팅(slot die coating), 그라비아 코팅(gravure coating), 바 코팅(bar coating), 콤마 코팅(comma coating), 립 코팅(lip coating) 및 블레이드 코팅(blade coating) 으로 이루어진 군에서 선택되는 방법을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미세기공층의 두께는 10 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 격자형 미세기공층의 격자지름은 100 내지 5000㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 미세기공층의 격자간 간격은 100 내지 5000㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 전극의 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선 택되는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 촉매는 도전성 담체에 담지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드 전극의 촉매층은 백금 및 백금-전이금속 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 백금은 도전성 담체에 담지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 이온 전도성 단량체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 글리세롤류 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 기체확산층은 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 막-전극 접합체는 고분자전해질형 연료전지 또는 직접메탄올 연료전지에 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  19. 하나 또는 둘 이상의 제1항 내지 18항 중 어느 한 항에 따른 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택;
    연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및
    산화제를 상기 전기발생부로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2800180A4 (en) * 2011-12-26 2015-06-10 Toray Industries GAS DIFFUSION ELECTRODE SUBSTRATE FOR A FUEL CELL, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL
KR20170133646A (ko) * 2016-05-26 2017-12-06 현대자동차주식회사 표면에 소수성 층을 갖는 전극막 접합체 및 그 제조 방법
CN109921028A (zh) * 2017-12-12 2019-06-21 中国科学院大连化学物理研究所 一种降低水渗透的膜电极及其制备及应用
US20220209270A1 (en) * 2020-12-30 2022-06-30 Jntg Co., Ltd. Gas Diffusion Layer Including Microporous Layer Having Through Passages And/Or Concentration Gradient Of Water-Repellent Resin In Thickness Direction, And Fuel Cell Including The Same
CN114914503A (zh) * 2022-06-10 2022-08-16 中国第一汽车股份有限公司 一种燃料电池用膜电极及其制备方法与用途

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19812592B4 (de) * 1998-03-23 2004-05-13 Umicore Ag & Co.Kg Membran-Elektroden-Einheit für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie Tinte
JP2004030959A (ja) * 2002-06-21 2004-01-29 Aisin Seiki Co Ltd ガス拡散部材、ガス拡散電極および燃料電池

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2800180A4 (en) * 2011-12-26 2015-06-10 Toray Industries GAS DIFFUSION ELECTRODE SUBSTRATE FOR A FUEL CELL, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL
KR20170133646A (ko) * 2016-05-26 2017-12-06 현대자동차주식회사 표면에 소수성 층을 갖는 전극막 접합체 및 그 제조 방법
CN109921028A (zh) * 2017-12-12 2019-06-21 中国科学院大连化学物理研究所 一种降低水渗透的膜电极及其制备及应用
CN109921028B (zh) * 2017-12-12 2021-06-08 中国科学院大连化学物理研究所 一种降低水渗透的膜电极及其制备及应用
US20220209270A1 (en) * 2020-12-30 2022-06-30 Jntg Co., Ltd. Gas Diffusion Layer Including Microporous Layer Having Through Passages And/Or Concentration Gradient Of Water-Repellent Resin In Thickness Direction, And Fuel Cell Including The Same
US12040516B2 (en) * 2020-12-30 2024-07-16 Jntg Co., Ltd. Gas diffusion layer including microporous layer having through passages and/or concentration gradient of water-repellent resin in thickness direction, and fuel cell including the same
CN114914503A (zh) * 2022-06-10 2022-08-16 中国第一汽车股份有限公司 一种燃料电池用膜电极及其制备方法与用途

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