KR20090023904A - Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same - Google Patents

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KR20090023904A
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Abstract

A membrane-electrode assembly for a fuel cell is provided to prevent a crossover phenomenon of fuel and improve efficiency of a catalyst. A membrane-electrode assembly for a fuel cell comprises: a polymeric electrolyte membrane(20); an anode/cathode electrode(26) located on both sides of the polymeric electrolyte membrane; and a fuel crossover constraining layer located between the polymeric electrolyte membrane and the anode/cathode electrode, having a carbon nanotube(22) and a metal rod(24). An axis(a) of the carbon nanotube and a surface of the polymeric electrolyte membrane are not parallel with each other.

Description

연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same {MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 효율이 우수하고 연료의 크로스오버를 방지할 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell membrane-electrode assembly and a fuel cell system including the same, and more particularly, to a fuel cell membrane-electrode assembly and a fuel cell system including the same, which are excellent in efficiency and prevent fuel crossover. It is about.

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.

이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

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

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but it is easy to handle fuel and has a low operating temperature, so that it can be operated at room temperature, in particular, it does not require a fuel reformer.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, “연료극” 또는 “산화 전극”이라 한다)과 캐소드 전극(일명 “공기극” 또는 “환원 전극”이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.In such fuel cell systems, the stack that substantially generates electricity comprises several unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a structure laminated to several tens. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called a “fuel electrode” or an “oxidation electrode”) and a cathode electrode (also called “air electrode” or “reduction electrode”) with a polymer electrolyte membrane containing a hydrogen ion conductive polymer therebetween. ) Is located.

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하 며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.The principle of generating electricity in a fuel cell is that fuel is supplied to an anode electrode, which is a fuel electrode, adsorbed to a catalyst of the anode electrode, and the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. Reaching the cathode electrode, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode electrode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode to generate electricity while producing water.

본 발명의 목적은 촉매 효율을 향상시키고, 연료의 크로스오버를 방지할 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a fuel cell membrane-electrode assembly capable of improving catalyst efficiency and preventing fuel crossover.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료 전지용 전극을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system including the fuel cell electrode.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고분자 전해질 막; 및 상기 고분자 전해질 막 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 고분자 전해질 막과 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하며, 카본 나노 튜브 및 금속 로드(rod)를 포함하는 연료 크로스오버 억제층을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리로서, 상기 카본 나노 튜브의 축과 상기 고분자 전해질 막 표면은 서로 평행하지 않게 위치하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a polymer electrolyte membrane; And a fuel crossover suppression layer positioned between an anode electrode and a cathode electrode positioned on both sides of the polymer electrolyte membrane, and between the polymer electrolyte membrane and the anode electrode and the cathode electrode, the fuel crossover suppression layer including a carbon nanotube and a metal rod. A membrane-electrode assembly for a fuel cell, wherein the axis of the carbon nanotubes and the surface of the polymer electrolyte membrane are provided so as not to be parallel to each other.

상기 카본 나노 튜브의 축과 상기 고분자 전해질 막 표면의 각도는 실질적으로 거의 수직인 것이 바람직하며, 구체적으로는 70 내지 90°인 것이 더욱 바람직하다.It is preferable that the angle of the axis of the carbon nanotube and the surface of the polymer electrolyte membrane is substantially substantially perpendicular, and more preferably 70 to 90 °.

본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적어도 하나 이상 포함하는 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다. 상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.The present invention also provides a fuel cell system including an electric generator, a fuel supply, and an oxidant supply including at least one of the membrane-electrode assembly and the separator. The electricity generation unit serves to generate electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant. The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generation unit.

상술한 것과 같이, 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 연료의 크로스오버를 방지할 수 있으며, 촉매 효율을 향상시킬 수 있어 우수한 성능을 갖는 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.As described above, the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention can prevent crossover of fuel and can improve catalyst efficiency, thereby providing a fuel cell system having excellent performance.

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

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 본 발명의 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 상기 고분자 전해질 막 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하며, 상기 고분자 전해질 막과 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하며, 카본 나노 튜브 및 금속 로드(rod)를 포함하는 연료 크로스오버 억제층을 포함한다. 본 발명에서, 상기 카본 나노 튜브는 카본 나노 튜브의 축과 상기 고분자 전해질 막 표면이 서로 평행하지 않게 위치하는 것이 바람직하며, 실질적으로 거의 수직에 가까운 것이 바람직하고, 구체적으로는 70 내지 90°의 각도로 위치하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 카본 나노 튜브의 축과 상기 고분자 전해질 막 표면은 70, 75, 80, 85 또는 90°의 각도로 존재할 수 있다. 상기 카본 나노 튜브의 방향성은 탄화수소 연료의 크로스오버 측면뿐만 아니라, 촉매 효율 측면에서 더 중요하다. 카본 나노 튜브가 70° 미만의 각도로 존재하는 경우, 카본 나노 튜브와 고분자 전해질 막 표면이 서로 접하는 표면적이 줄어들어 촉매 효율이 감소할 수 있어 바람직하지 않다. The present invention relates to a membrane-electrode assembly for a fuel cell, wherein the membrane-electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode positioned on both sides of the polymer electrolyte membrane, wherein the polymer electrolyte membrane and the anode electrode and Located between the cathode electrodes and comprises a fuel crossover suppression layer comprising a carbon nanotube and a metal rod. In the present invention, the carbon nanotubes are preferably positioned such that the axes of the carbon nanotubes and the surface of the polymer electrolyte membrane are not parallel to each other, and are preferably substantially close to vertical, specifically, an angle of 70 to 90 °. More preferably. The axis of the carbon nanotubes and the surface of the polymer electrolyte membrane may be present at an angle of 70, 75, 80, 85 or 90 °. The orientation of the carbon nanotubes is more important in terms of catalyst efficiency as well as crossover aspects of hydrocarbon fuels. When the carbon nanotubes are present at an angle of less than 70 °, the surface area where the carbon nanotubes and the surface of the polymer electrolyte membrane are in contact with each other is reduced, which may decrease the catalyst efficiency, which is not preferable.

이와 같이 고분자 전해질 막 표면과 서로 평행하지 않게 위치하는 카본 나노 튜브는 연료의 크로스오버를 억제하는 효과를 부여할 수 있다. 카본 나노 튜브가 고분자 전해질 막 표면과 서로 평행하게 위치하는 경우에는 이 위에 형성되는 금속 로드가 치밀한 막 형태로 형성될 수 있고, 이는 연료의 공급 및 분산을 억제하는 차단막으로서 기능할 수 있어 바람직하지 않다.As such, the carbon nanotubes positioned not parallel to the surface of the polymer electrolyte membrane may provide an effect of suppressing fuel crossover. When the carbon nanotubes are positioned in parallel with the surface of the polymer electrolyte membrane, the metal rods formed thereon may be formed in a dense membrane form, which may function as a blocking membrane for suppressing fuel supply and dispersion. .

이때, 상기 금속 로드는 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 촉매층 방향으로 위치하는 상기 카본 나노 튜브의 끝단면에 위치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 금속 로드가 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 촉매층 방향으로 위치하는 카본 나노 튜브의 끝단면에 위치함으로서, 금속의 토폴로지(topology)를 브러쉬 타입으로 만들어 표면적을 최대한 증대시킬 수 있다. In this case, the metal rod is preferably located on the end surface of the carbon nanotubes located in the direction of the catalyst layer of the anode electrode or the cathode electrode. As such, the metal rod is positioned at the end surface of the carbon nanotubes positioned in the direction of the catalyst layer of the anode electrode or the cathode electrode, thereby making the topology of the metal into a brush type, thereby increasing the surface area as much as possible.

이러한 금속 로드는 조촉매로서의 역할도 할 수 있으므로, 전지 특성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한 상기 금속 로드는 주위에 수분과 강한 상호작용(interaction)에 따라 하이드록시 그룹수의 증가를 가져와 촉매의 활성을 극대화할 수 있다. Since such a metal rod can also serve as a promoter, battery characteristics can be further improved. In addition, the metal rod may bring about an increase in the number of hydroxy groups according to the strong interaction with the surroundings to maximize the activity of the catalyst.

상기 금속 로드는 100 내지 500nm의 높이를 갖는 것이 바람직하다. 금속 로드의 높이는 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 및 500nm 범위일 수 있다. 금속 로드의 높이가 100nm보다 짧으면, 금속 로드를 사용함에 따른 효과가 거의 미미하며, 500nm를 초과하는 경우에는 금속 막 형태가 되어, 연료의 크로스오버를 방지하는 역할이 아니라, 연료의 공급 및 분산을 완전히 억제할 수 있어 바람직하지 않다.Preferably, the metal rod has a height of 100 to 500 nm. The height of the metal rods may range from 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 and 500 nm. If the height of the metal rod is shorter than 100 nm, the effect of using the metal rod is almost insignificant, and if the height of the metal rod is larger than 500 nm, the metal rod is formed in the form of a metal film. It is not preferable because it can be suppressed completely.

상기 금속 로드에서 금속으로는 Au, W, Pt, Mo, Cu, Pd, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하며, Au, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 더욱 바람직하다.The metal in the metal rod is preferably selected from the group consisting of Au, W, Pt, Mo, Cu, Pd, Ru, and combinations thereof, and more preferably selected from the group consisting of Au, W, and combinations thereof. Do.

이러한 고분자 전해질 막 표면에 형성된 탄소 나노 튜브 및 금속 로드는 연료가 크로스오버되는 것을 방지하는 차단막(barrier)으로서의 역할, 즉 연료 크로스오버 방지층으로서의 역할을 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 막-전극 어셈블리는 종래 막-전극 어셈블리에 비하여 연료가 크로스오버되는 현상이 저감된다.The carbon nanotube and the metal rod formed on the surface of the polymer electrolyte membrane may serve as a barrier to prevent the fuel from crossover, that is, as a fuel crossover prevention layer. Accordingly, the membrane-electrode assembly of the present invention is reduced in the crossover of the fuel compared to the conventional membrane-electrode assembly.

상기 카본 나노 튜브의 길이는 본 발명의 효과에 큰 영향을 미치는 요소가 아니므로, 길이는 큰 의미가 없다.Since the length of the carbon nanotubes is not a factor influencing the effects of the present invention, the length is not significant.

도 1에 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 대표적인 예를 나타내었다. 도 1에 나타낸 것과 같이, 고분자 전해질 막(20)에 카본 나노 튜브(22)의 축(a)과 고분자 전해질 막(20)의 표면의 각도(θ)가 실질적으로 약 90° 가 되도록 카본 나노 튜브(22)가 위치한다. 또한, 이 카본 나노 튜브(22) 위에 금속 로드(24)가 위치하며, 이 금속 로드(24) 위에 전극(26)이 위치하는 구성을 갖는다. 1 shows a representative example of a membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention. As shown in FIG. 1, the carbon nanotubes are formed such that the angle (theta) of the axis a of the carbon nanotubes 22 and the surface of the polymer electrolyte membrane 20 is substantially about 90 ° in the polymer electrolyte membrane 20. (22) is located. Moreover, the metal rod 24 is located on this carbon nanotube 22, and the electrode 26 is located on this metal rod 24.

도 1에는 카본 나노 튜브(22)의 축(a)과 고분자 전해질 막(20)의 표면 각도(α)가 약 90°인 예를 나타내었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 카본 나노 튜브의 축과 고분자 전해질 막 표면은 서로 평행하지 않게 위치하면 본 발명의 권리에 모두 포함될 수 있다.1 illustrates an example in which the axis a of the carbon nanotubes 22 and the surface angle α of the polymer electrolyte membrane 20 are about 90 °, but the present invention is not limited thereto. The shaft and the surface of the polymer electrolyte membrane may be all included in the rights of the present invention if they are not parallel to each other.

상기 캐소드 전극 및 애노드 전극은 전극 기재와 촉매층을 포함한다.The cathode electrode and the anode electrode include an electrode substrate and a catalyst layer.

상기 촉매층에서 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 구체적인 예로는Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.In the catalyst layer, any catalyst that can be used as a catalyst may be used as a catalyst in the reaction of the fuel cell, and a representative platinum-based catalyst may be used as a representative example. The platinum-based catalyst may be platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, At least one catalyst selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru, and 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 One or more selected from the group consisting of / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, and Pt / Ru / Sn / W can be used.

또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다. In addition, such a metal catalyst may be used as the metal catalyst (black) itself, or may be supported on a carrier. As the carrier, carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs or activated carbon may be used, or alumina, silica, zirconia, Inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. The catalyst layer may further include a binder resin for improving the adhesion of the catalyst layer and the 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 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, 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸 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 resin, more preferably a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. Any polymer resin which has can be used. Preferably, a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether One or more hydrogen ion conductive polymers selected from ether ketone polymers or polyphenylquinoxaline polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazoles or poly ( 2,5-benzimidazole) may be used that includes at least one hydrogen ion conductive polymer selected from.

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 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적 으로 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 및 소르비톨(Sorbitol)로 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.

또한 상기 촉매층 형성시, 촉매층 조성물의 점도를 조절하기 위하여 증점제를 더욱 첨가할 수도 있다. 상기 증점제로는 폴리에틸렌 글리콜을 대표적으로 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 촉매층의 악영향을 미치지 않으며 점도를 조절할 수 있는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 이때 증점제의 사용량은 촉매층 조성물의 적절한 점도가 얻어질 수 있는 범위 내에서 조절하여 소량 사용할 수 있다.In addition, when forming the catalyst layer, a thickener may be further added to adjust the viscosity of the catalyst layer composition. As the thickener, polyethylene glycol may be representatively used, but is not limited thereto, and any agent capable of controlling the viscosity without adversely affecting the catalyst layer may be used. In this case, the amount of the thickener may be used in a small amount by adjusting within a range in which an appropriate viscosity of the catalyst layer composition can be obtained.

상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 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 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrate plays a role of supporting the electrode and diffuses the fuel and the oxidant to the catalyst layer, thereby serving to easily access the fuel and the oxidant to the catalyst layer. The electrode substrate is a conductive substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film or polymer fiber composed of metal cloth in a fibrous state). The metal film is formed on the surface of the cloth formed of (referred to as a metalized polymer fiber) 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, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드 알콕시비닐 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 resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonylfluoride alkoxyvinyl 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, 폴리비닐알 코올, 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.

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 술폰산기, 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 group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain.

상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 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 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸 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 one or more selected from polymers, polyether-etherketone-based polymers or polyphenylquinoxaline-based polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid) (generally marketed as Nafion), poly (Perfluorocarboxylic acid), copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid group, sulfide polyether ketone, aryl ketone, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5 And at least one selected from '-bibenzimidazole or poly (2,5-benzimidazole)'.

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, 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.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 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.

본 발명에서 고분자 전해질 막과 전극 사이에 위치하는 카본 층을 형성하는 방법은 고분자 전해질 막에 카본 나노 튜브를 성장시키거나, 슬러리 코팅으로 형성하는 방법이 있다. 상기 슬러리 코팅을 실시하는 경우에는 코팅 공정을 실시한 후, 전기장 또는 자기장을 가하여 방향성을 갖게 하거나 또는 물리적 방법을 이용하여 방향성을 갖게 형성한다. 상기 카본 나노 튜브가 방향성을 갖게 형성하는 방법, 즉 카본 나노 튜브를 고분자 전해질 막 표면과 서로 평행하지 않게 형성하는 방법은 카본 나노 튜브가 어떠한 각도로 위치하게 할 수 있는 방법은 어떠한 방법도 가능하며, 일 예로 점착성 테이프나 롤러를 카본 나노 튜브에 붙였다 떼어내는 방법을 들 수 있다.In the present invention, a method of forming a carbon layer positioned between the polymer electrolyte membrane and the electrode includes a method of growing carbon nanotubes on the polymer electrolyte membrane or forming a slurry coating. In the case of performing the slurry coating, after the coating process is performed, an electric field or a magnetic field is applied to give a directivity or to have a directivity using a physical method. The method of forming the carbon nanotubes directionally, that is, the method of forming the carbon nanotubes so as not to be parallel to the surface of the polymer electrolyte membrane may be any method of placing the carbon nanotubes at any angle, An example is a method of attaching and detaching an adhesive tape or a roller to a carbon nanotube.

본 발명의 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)에 모두 적용될 수 있으나, 직접 산화형 연료 전지에 보다 바람직하게 적용될 수 있다. The membrane-electrode assembly of the present invention can be applied to both a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (PEMFC), but is more preferably applied to a direct oxidation fuel cell. Can be.

본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어 도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.The fuel cell system of the present invention comprising the membrane-electrode assembly of the present invention includes at least one electricity generator, a fuel supply and an oxidant supply.

상기 전기 발생부는 본 발명의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)을 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating portion includes the membrane-electrode assembly and the separator (also referred to as bipolar plate) of the present invention. 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 있으며, 본 발명은 직접 산화형 연료 전지에 보다 적합하므로 탄화수소 연료가 보다 바람직하다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.In the present invention, the fuel may include a hydrogen or hydrocarbon fuel in gaseous or liquid state, and the hydrocarbon fuel is more preferable because the present invention is more suitable for the direct oxidation fuel cell. 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 공 급부(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 generating 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 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, 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)

카본 나노 튜브 및 나피온 용액, 이소프로필알콜을 30: 10: 60 중량 비율로 혼합하고, 이 혼합 용액에 폴리에틸렌 글리콜(수평균 분자량 1000)을 소량 첨가하여 점도를 조절하여 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 Nafion 115 (퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막에 도포하여 카본 나노 튜브층을 형성하였다. 이 카본 나노 튜브층에 점착성 테이프를 붙였다가 떼어내어, 카본 나노 튜브의 축과 상기 고분자 전해질 막 표면의 각도가 실질적으로 약 90°가 되게 하였다.A carbon nanotube, a Nafion solution, and isopropyl alcohol were mixed in a 30:10:60 weight ratio, and a small amount of polyethylene glycol (number average molecular weight 1000) was added to the mixed solution to adjust the viscosity to prepare a slurry. The prepared slurry was applied to a Nafion 115 (perfluorosulfonic acid) polymer electrolyte membrane to form a carbon nanotube layer. An adhesive tape was attached and detached to the carbon nanotube layer so that the angle of the axis of the carbon nanotube and the surface of the polymer electrolyte membrane was substantially about 90 °.

이어서, Au을 상기 카본 나노 튜브에 증착시켜 약 300nm 높이의 금속 로드를 형성하여 카본 나노 튜브와 금속 로드를 포함하는 연료 크로스오버 억제층이 형성된 고분자 전해질 막을 제조하였다. Subsequently, Au was deposited on the carbon nanotubes to form a metal rod having a height of about 300 nm to prepare a polymer electrolyte membrane having a fuel crossover suppression layer including the carbon nanotubes and the metal rods.

Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 및 Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매 각각 88 중량%와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 사용하여 애노드 전극용 촉매 조성물 및 캐소드 전극용 촉매 조성물을 각각 제조하였다. 상기 애노드 전극용 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하고, 상기 캐소드 전극용 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 촉매 로딩량은 각각 4mg/cm2로 하였다.Using 88 wt% Pt-Ru black (Johnson Matthey) and Pt black (Johnson Matthey) catalyst and 12 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) at 5 wt% concentration as binder A catalyst composition for the anode electrode and a catalyst composition for the cathode electrode were prepared, respectively. The anode electrode was prepared by applying the anode catalyst composition to a carbon paper electrode substrate, and the cathode electrode composition was coated on a carbon paper electrode substrate to prepare a cathode. At this time, the catalyst loading in the anode electrode and the cathode electrode was 4mg / cm 2 respectively.

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 촉매층과, 상기 고분자 전해질 막에 형성된 상기 연료 크로스오버 억제층이 서로 접하게 위치시켜, 통상의 방법으로 막-전극 어셈블리를 제조하였다. A catalyst layer of the anode electrode and the cathode electrode and the fuel crossover suppression layer formed on the polymer electrolyte membrane were placed in contact with each other to prepare a membrane-electrode assembly in a conventional manner.

(실시예 2)(Example 2)

Au을 상기 카본 나노 튜브에 증착시켜 약 100nm 높이의 금속 로드를 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same process as in Example 1 was carried out except that Au was deposited on the carbon nanotubes to form a metal rod having a height of about 100 nm.

(실시예 3)(Example 3)

Au을 상기 카본 나노 튜브에 증착시켜 약 200nm 높이의 금속 로드를 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same process as in Example 1 was carried out except that Au was deposited on the carbon nanotubes to form a metal rod having a height of about 200 nm.

(실시예 4)(Example 4)

Au을 상기 카본 나노 튜브에 증착시켜 약 400nm 높이의 금속 로드를 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same process as in Example 1 was carried out except that Au was deposited on the carbon nanotubes to form a metal rod having a height of about 400 nm.

(실시예 5)(Example 5)

Au을 상기 카본 나노 튜브에 증착시켜 약 500nm 높이의 금속 로드를 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same process as in Example 1 was carried out except that Au was deposited on the carbon nanotubes to form a metal rod having a height of about 500 nm.

(실시예 6)(Example 6)

Au 대신 W 금속 로드를 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same process as in Example 1 was carried out except that a W metal rod was formed instead of Au.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 및 Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매 각각 88 중량%와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 사용하여 애노드 전극용 촉매 조성물 및 캐소드 전극용 촉매 조성물을 각각 제조하였다. 상기 애노드 전극용 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하고, 상기 캐소드 전극용 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 촉매 로딩량은 각각 4mg/cm2로 하였다.Using 88 wt% Pt-Ru black (Johnson Matthey) and Pt black (Johnson Matthey) catalyst and 12 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) at 5 wt% concentration as binder A catalyst composition for the anode electrode and a catalyst composition for the cathode electrode were prepared, respectively. The anode electrode was prepared by applying the catalyst composition for the anode electrode to a carbon paper electrode substrate, and the cathode electrode composition was prepared by applying the catalyst composition for the cathode electrode to the carbon paper electrode substrate. At this time, the catalyst loading in the anode electrode and the cathode electrode was 4mg / cm 2 respectively.

상기 애노드 전극, 캐소드 전극 및 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 이용하여 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이 막-전극 어셈블리로 단위 전 지를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared using the anode electrode, the cathode electrode, and the Nafion 115 (perfluorosulfonic acid) polymer electrolyte membrane, and a unit cell was prepared using the membrane-electrode assembly.

상기 실시예 1 및 비교예 1의 고분자 전해질 막에 대하여 메탄올 크로스오버(메탄올 투과율)를 측정하였다. 메탄올 투과율은 2-구획 방전 셀(compartment discharge cell)의 중앙에 실시예 1에 따라 제조된 연료 크로스오버 억제층이 형성된 고분자 전해질 막 및 비교예 1의 고분자 전해질 막을 각각 위치시킨 후, 양단에 1M 메탄올/탈이온수 혼합 액체와 탈이온수를 각각 순환시켰을 때 전해질 막을 투과한 메탄올의 농도를 굴절율 변화로 측정하였다.Methanol crossover (methanol transmittance) was measured for the polymer electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Example 1. Methanol transmittance is 1M methanol at both ends after placing the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 1 in which the fuel crossover suppression layer prepared according to Example 1 was formed at the center of the two-compartment discharge cell. When the deionized water mixed liquid and deionized water were circulated respectively, the concentration of methanol that passed through the electrolyte membrane was measured by the change of refractive index.

또한 상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 단위 전지에 대하여, 1M 메탄올을 공급하고, 0.4V 출력 밀도(출력 특성)를 70℃의 온도에서 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.In addition, 1M methanol was supplied to the unit cells prepared according to Example 1 and Comparative Example 1, and 0.4V output density (output characteristics) was measured at a temperature of 70 ° C., and the results are shown in Table 1 below. .

실시예Example 비교예Comparative example 메탄올 투과율(cm2/s, 60℃에서)Methanol permeability (cm 2 / s at 60 ° C) 1.6 X 10-5 1.6 X 10 -5 3.6 X 10-6 3.6 X 10 -6 출력 밀도(mW/cm2)Power density (mW / cm 2 ) 135135 105105

상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 단위 전지가 비교예 1의 단위 전지에 비하여 메탄올 크로스오버율이 적고, 출력 밀도는 우수한 것으로 나타났다. As shown in Table 1 above, the unit cell of Example 1 was found to have a lower methanol crossover rate and an excellent output density than the unit cell of Comparative Example 1.

아울러, 상기 실시예 2 내지 6의 메탄올 투과율 및 출력 특성을 측정한 결과, 실시예 1과 유사하게 비교예 1보다 메탄올 투과율은 적고, 출력 밀도는 우수한 결과가 얻어졌다. In addition, as a result of measuring the methanol transmittance and output characteristics of Examples 2 to 6, similar to Example 1, the methanol transmittance was lower than that of Comparative Example 1, and the output density was excellent.

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.

도 1은 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 일 예를 나타낸 도면.1 is a view showing an example of a membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention.

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

Claims (14)

고분자 전해질 막; Polymer electrolyte membranes; 상기 고분자 전해질 막 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및Anode and cathode electrodes positioned on both sides of the polymer electrolyte membrane; And 상기 고분자 전해질 막과 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하며, 카본 나노 튜브 및 금속 로드(rod)를 포함하는 연료 크로스오버 억제층을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리로서,A membrane-electrode assembly for fuel cells, positioned between the polymer electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode, comprising a fuel crossover suppression layer comprising a carbon nanotube and a metal rod, 상기 카본 나노 튜브의 축과 상기 고분자 전해질 막 표면은 서로 평행하지 않게 위치하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The axis of the carbon nanotubes and the surface of the polymer electrolyte membrane are positioned not parallel to each other membrane-electrode assembly for a fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 카본 나노 튜브의 축과 상기 고분자 전해질 막 표면의 각도는 70 내지 90°인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The angle of the axis of the carbon nanotubes and the surface of the polymer electrolyte membrane is 70 to 90 ° membrane-electrode assembly for a fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 로드는 상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극의 촉매층 방향으로 위치하는 카본 나노 튜브의 끝단면에 위치하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The metal rod is a membrane-electrode assembly for a fuel cell is located on the end surface of the carbon nanotubes located in the direction of the catalyst layer of the anode electrode or the cathode electrode. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 로드는 100 내지 500nm의 높이를 갖는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The metal rod is a membrane-electrode assembly for a fuel cell having a height of 100 to 500nm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 로드는 Au, W, Pt, Mo, Cu, Pd, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The metal rod is selected from the group consisting of Au, W, Pt, Mo, Cu, Pd, Ru and combinations thereof. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 금속 로드는 Au, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.Wherein the metal rod is selected from the group consisting of Au, W and a combination thereof. 고분자 전해질 막 상기 고분자 전해질 막 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 고분자 전해질 막과 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하며, 카본 나노 튜브 및 금속 로드(rod)를 포함하는 연료 크로스오버 억제층을 포함하며, 상기 카본 나노 튜브의 축과 상기 고분자 전해질 막 표면은 서로 평행하지 않게 위치하는 것인 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;A polymer electrolyte membrane An anode electrode and a cathode electrode located on both sides of the polymer electrolyte membrane and a fuel crossover suppression layer positioned between the polymer electrolyte membrane and the anode electrode and the cathode electrode, comprising a carbon nanotube and a metal rod (rod) And at least one membrane-electrode assembly and a separator, wherein the axis of the carbon nanotube and the surface of the polymer electrolyte membrane are not parallel to each other, and generate electricity through oxidation of a fuel and reduction of an oxidant. At least one electricity generating unit; 상기 전기 발생부로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부Oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generating unit 를 포함하는 연료 전지 시스템.Fuel cell system comprising a. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 카본 나노 튜브의 축과 상기 고분자 전해질 막 표면의 각도는 70 내지 90°인 연료 전지 시스템.The angle of the axis of the carbon nanotubes and the surface of the polymer electrolyte membrane is 70 to 90 ° fuel cell system. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극의 촉매층 방향으로 위치하는 카본 나노 튜브의 끝단면에 위치하는 것인 연료 전지 시스템.The fuel cell system is located on the end surface of the carbon nanotubes located in the direction of the catalyst layer of the anode electrode or the cathode electrode. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 금속 로드는 100 내지 500nm의 높이를 갖는 것인 연료 전지 시스템.The metal rod has a height of 100-500 nm. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 금속 로드는 Au, W, Pt, Mo, Cu, Pd, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.The metal rod is selected from the group consisting of Au, W, Pt, Mo, Cu, Pd, Ru, and combinations thereof. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 금속 로드는 Au, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.The metal rod is selected from the group consisting of Au, W, and combinations thereof. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지 시스템인 연료 전지 시스템.The fuel cell system is a direct oxidation fuel cell system. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 연료는 탄화수소 연료인 연료 전지 시스템.And the fuel is a hydrocarbon fuel.
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