KR20090027527A - 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템 Download PDF

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송형석
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Abstract

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되며 적어도 일면이 50 nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 요철이 형성된 촉매층을 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.
본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 전극과 전해질 막 계면의 유효 표면적이 증대되어 우수한 출력 특성을 나타낸다.
연료 전지, 고분자 전해질 막, 촉매층, 표면 조도, 출력 특성

Description

연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL, METHOD OF PRODUCING SAME AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극과 전해질 막의 계면의 유효 표면적이 증대되어 우수한 출력 특성을 나타내는 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
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.
이러한 연료 전지를 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 정점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목 받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 직접 산화형 연료 전지(DOFC: 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.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료 가스인 수소를 생산하기 위하여 탄화 수소계 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
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 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화 전극'이라고도 함)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원 전극"이라고도 함)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 먼저 상기 세퍼레이터를 통하여 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 연료극인 애노드 전극에 공급한다. 애노드 전극 에 공급된 연료는 촉매에 흡착된 후 산화되어 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로를 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 세퍼레이터를 통하여 캐소드 전극으로 공급된 산화제와 상기 수소 이온 및 전자가 촉매 상에서 반응하여 열과 물을 생성하면서 동시에 전기를 발생시키게 된다.
본 발명의 목적은 전극과 전해질 막 사이의 반응 유효 표면적이 증대되어 우수한 출력 특성을 나타내는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되며 적어도 일면이 50 nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 요철이 형성된 촉매층을 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
또한 본 발명은, 기재 필름에 50 nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 요철을 형성하는 단계; 상기 요철이 형성된 기재 필름 상에 촉매층 형성용 조성물을 코팅 및 건조하여 50nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 촉매층을 형성하는 단계; 상기 촉매층이 형성된 기재 필름을 고분자 전해질 막에 위치시키고 열과 압력을 가하여 50nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 촉매층을 고분자 전해질 막에 전사하는 단계; 및 상기 고분자 전해질 막에 전사된 코팅층으로부터 기재 필름을 제거하는 단계를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적인 반응을 통하여 전기를 생성시키는 전기 발생부; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 전극과 전해질 막 계면의 유효 표면적이 증대되어 우수한 출력 특성을 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
연료 전지에서 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 이 고분자 전해질 막의 양 측면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 구성되며, 이 막-전극 어셈블리에서, 연료의 산화 및 산화제의 환원 반응에 따라 전기를 발생시킨다. 이러한 막-전극 어셈블리에서 일어나는 반응은 상기 고분자 전해질 막과 전극과의 계면 접착이 우수해야 잘 일어날 수 있으며, 또한 계면에서의 고분자 전해질 막과 전극과의 접촉 면적이 높아야 한다.
일반적으로 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법은 전극 기재에 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질 막에 열압착하거나, 고분자 전해질 막에 촉매층을 직접 도포 또는 불활성의 고분자 기재 필름(base film)에 촉매층을 형성한 후 전해질 막에 열압착하여 촉매층을 전사한 후 전극 기재를 촉매층 상에 열압착하는 방식을 사용할 수도 있다. 이와 같은 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법은 전극과 전해질 막 사이의 계면 결착이 2차원적으로 형성되므로 계면의 유효 표면적을 증가시키는 것에는 한계가 있다.
본 발명은 촉매층에 조도를 조절함으로써 고분자 전해질 막과 전극 사이 계면의 유효 표면적을 40% 이상 증가시켜 연료 전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있으며, 촉매의 로딩(loading)량을 기존 대비 25% 이상 감소시켜 소재비를 20% 이상 절감하는 효과가 있다. 또한 연료전지의 작동 중 고분자 전해질 막의 스웰링에 따른 패턴의 변형 또는 소멸을 방지할 수 있다.
본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 서로 대향하는 캐소드 전극 및 애노드 전극을 포함하며, 이 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. 또한, 상기 캐소드 전극 및 애노드 전극 중 적어도 하나는 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되며 적어도 일면이 50nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 요철이 형성된 촉매층을 포함한다.
본 명세서에서 평균 표면 조도란 요철의 전체 높이차를 말한다.
상기 촉매층은 바람직하게는 50 nm 내지 800 nm, 더욱 바람직하게는 100 nm 내지 750 nm의 평균 표면 조도를 갖는 요철이 형성될 수 있다. 촉매층의 표면조도가 상기 범위 내에서는 촉매 효율을 극대화할 수 있어 바람직하다. 그러나 상기 촉매층의 평균 표면 조도가 상기 범위를 벗어나 50 nm 미만이면 표면적 증가 효과가 미 미할 뿐만 아니라 고분자 전해질 막이 팽윤했을 시, 또는 막-전극 어셈블리의 제조 과정 중 열 또는 압력 처리 시 형성되었던 요철이 사라져 촉매층이 평평해질 우려가 있으므로 바람직하지 않다. 또한 촉매층의 평균 표면 조도가 1 ㎛를 초과하면 촉매층의 높이차가 심함에 따라 전해질과 유효 접촉 면적이 감소하는 문제점이 있고, 접촉 면적을 증가시키기 위하여 압연 공정을 높은 압력으로 실시하면, 촉매층의 기공율이 저하되어 물질이동 저항이 증가할 수 있어 바람직하지 않으며, 아울러, 연료의 크로스오버가 심해지는 문제가 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
상기 촉매층은 5㎛ 내지 50㎛, 보다 바람직하게는 5㎛ 내지 30㎛, 더욱 바람직하게는 5㎛ 내지 25㎛의 두께를 갖는다. 상기 촉매층의 두께가 5 ㎛ 미만이면 촉매의 로딩량이 너무 낮아 반응물의 산화환원 반응속도가 느려질 우려가 있어 바람직하지 않고, 50㎛를 초과하면 경제성이 낮고 물질전달 저항이 증가하여 바람직하지 않다.
또한 상기 촉매층은 원형, 삼각형 또는 사각형의 형태로 다양하게 패턴화할 수 있고, 이와 같은 패턴화에 따라 촉매층이 전해질 막과 물리적으로 접착하는 유효표면적이 증가할 수 있어 전기화학 반응 활성이 증가될 수 있다.
본 발명의 요철 또는 패턴은 촉매층의 한쪽 면뿐 만 아니라 양면에 모두 형성될 수도 있다.
이와 같이 본 발명은 촉매층에 요철이 형성되어 있는 것으로서, 고분자 전해질 막에는 물리적 손상을 주지 않으면서 전극과 고분자 전해질 막 계면의 유효 표면적을 향상시키는 효과가 있어 바람직하다.
도 1은 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막(40) 및 이 고분자 전해질 막(40)의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 전극 기재(30, 30')와 촉매층(60, 60')을 포함한다. 이때 상기 촉매층(60, 60')은 도시된 바와 같이, 애노드 전극 및 캐소드 전극과 고분자 전해질 막(40)과의 반응 표면적을 증가시켜 고출력을 나타낼 수 있도록 요철을 갖는다.
상기 고분자 전해질 막(40)은 애노드 전극 측의 촉매층(60)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극 측의 촉매층(60')으로 이동시키는 이온 교환 기능을 한다.
상기 고분자 전해질 막(40)으로는 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있다. 또한, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈 불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴케톤, 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.
또한, 상기 수소 이온 전도성 고분자에서 측쇄 말단에 이온 교환기에서, H를 나트륨, 칼륨, 세슘 등 1가 이온; 테트라부틸암모니움 이온 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 이온으로 치환하여 사용할 수 있다. 상기와 같이 측쇄 말단의 이온 교환기를 치환하여 사용할 경우, 열안정성이 증가하기 때문에, 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 시 열간압연 공정 중 200℃ 이상의 고온으로 열처리하여도 고분자 수지가 열화되어 수소 이온 전도성이 저하되거나, 또는 이에 따라 연료 전지의 수명이 감소될 우려가 없다. 또한 나트륨, 칼륨, 세슘 또는 테트라부틸암모니움 등의 이온으로 치환된 이온 교환기를 갖는 고분자 전해질 막(40), 예를 들면 나트륨 이온으로 치환된 경우 나트륨형(sodium-form) 고분자 전해질 막(40)은 이후 촉매층(60, 60')에 대한 황산 처리시 재술폰화되어 프로톤형(proton-form)으로 전환된다.
상기 촉매층(60, 60')에 포함된 촉매로는 연료의 산화 및 산화제의 환원 반응에 참여하여, 촉매로 사용이 가능한 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 촉 매를 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 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
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. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지하는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.
상기 촉매층(60, 60')은 또한 촉매층(60, 60')의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
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, 폴리페닐렌술 파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
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.
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.
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.
상기 전극 기재(30, 30')는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층(60, 60')으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층(60, 60')으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재(30, 30')로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 전극 기재(30, 30')는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동 시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.
또한, 상기 전극 기재(30, 30')에서의 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.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재(30, 30')에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 다음과 같은 공정을 통하여 제조될 수 있다.
먼저, 기재 필름에 50 nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 요철을 형성한다. 그리고 상기 요철이 형성된 기재 필름 상에 촉매층 형성용 조성물을 코팅 및 건조하여 50 nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 촉매층을 형성한다. 다음 상 기 촉매층이 형성된 기재 필름을 고분자 전해질 막에 위치시키고 열과 압력을 가하여 50 nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 촉매층을 고분자 전해질 막에 전사한 후 상기 고분자 전해질 막에 전사된 코팅층으로부터 기재 필름을 제거한다.
이하 각 공정에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
먼저, 기재 필름에 50 nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 요철을 형성한다.
상기 기재 필름의 그 대표적인 예로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA) 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(Ethylene/Tetrafluoroethylene(ETFE)) 등의 불소계 수지 필름, 또는 폴리이미드(PI), 폴리에스테르(PS) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)등의 비불소계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자로 형성된 필름을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 고분자로 형성된 필름을 사용하는 것이 좋다.
상기 기재 필름에 요철을 형성하는 방법은 금형을 이용하는 방법 또는 러빙법을 이용하는 방법이 있다.
상기 금형을 이용하는 방법은 먼저 요철이 형성된 금형을 준비하고 이 금형을 사용된 기재필름의 유리전이온도 내지 유리전이온도 + 100℃의 온도 범위에서 기재 필름의 일 측면에 가압한 후 금형을 기재 필름에서 분리하는 단계를 거쳐 제 조될 수 있다. 상기 가압 공정을 유리전이온도 + 100℃를 벗어나는 온도에서 실시하면, 기재 필름에 물리적 변형이 발생할 우려가 있어 바람직하지 않다.
상기 금형은 성형 면이 50 nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 금형은 금속일 수 있으며, 이 경우 산 처리에 의한 에칭처리법, 애노다이징, 일정 패턴을 갖는 플라스틱 기재를 사용한 압연처리법, 플라즈마 처리법, 샌드페이퍼링법(sand papering) 또는 샌드블라스팅법(sand blasting) 등을 사용하여 원형, 삼각형 또는 사각형의 특정 패턴을 형성시킨 것일 수 있다. 보다 바람직하게 상기 금형은 Al, Ni, Cu 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 금속으로 이루어지는 것이 바람직하며, 이를 산 용액을 이용하여 에칭함으로써 패턴화할 수 있다. 이와 같은 산 용액 처리에 의한 패터닝 방법은 종래의 패턴화 방법에 비하여 보다 미세한 마이크로미터 수준의 패턴 형성이 가능하다.
상기 산으로는 염산, 황산, 질산, HF 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 사용할 수 있으며, 금속 금형을 처리 시에는 산 용액의 농도를 0.01N 내지 1N, 보다 바람직하게는 0.1N 내지 1N로 하여 사용하는 것이 바람직하다. 산 용액의 농도가 0.01N 미만이면 에칭 효과가 미미하여 바람직하지 않고, 1N을 초과하면 과도한 에칭으로 인하여 적절한 표면 조도 형성이 어려워 바람직하지 않다.
또한 상기 산 처리는 10분 내지 1시간 동안 실시하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 20분 내지 30분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 이때 산 처리 시간이 10분 미만이면 패턴 형성 시간이 너무 짧아 바람직하지 않고, 1시간을 초과하면 과잉 에칭으로 인하여 마이크로 패턴 형성이 어렵다.
또한, 상기 금형은 사용된 기재필름에 약 100℃ 내지 250℃의 온도에서 30kgf/cm2 내지 100kgf/cm2의 압력으로 3분 내지 7분간 가압하는 것이 바람직하다. 이때 기재 필름의 패턴화 시 가해지는 온도 또는 압력이 너무 낮거나 시간이 짧으면 기재 필름에 형성되는 패턴이 불균일 할 수 있어 바람직하지 않고, 온도 또는 압력이 너무 높거나 시간이 길면 패턴이 붕괴될 수 있고 작업의 효율성이 떨어져 바람직하지 않다. 상기 패턴화 온도, 압력 및 시간은 전 후로 융통성 있게 조절될 수 있으나, 상기한 조건에서 가장 최적함을 실험적으로 확인할 수 있다.
또한 상기 기재 필름에 요철을 형성하는 방법 중 러빙(rubbing)법은 다음과 같다. 일반적으로 액정표시장치(LCD: Liquid Crystal Display device)의 배향막으로는 폴리이미드(polyimide) 계열의 유기물질이 주로 쓰이는데, 러빙법은 이 액정표시장치의 배향막을 일정한 방향으로 배열시키기 위해서 사용하는 방법으로서, 본 발명의 기재 필름을 러빙포로 문질러 줌으로써 조도를 형성하는 방법이다. 이러한 러빙법은 대량 생산에 적합하다.
상기 러빙포는 경사 및 위사로 제직된 원단 조직에 레이온이나 나일론 계통의 섬유를 파일사로 짜 넣은 구조로 이루어진 것을 주로 사용하며, 대표적인 예로는 벨벳(velvet)을 사용할 수 있다. 상기 러빙포에 의하여 기재 필름 상에 조도가 형성되므로, 보다 미세한 조도를 형성하기 위해서는 러빙포의 밀도가 높은 것을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 요철이 형성된 기재 필름 상에 촉매층 형성용 조성물을 코팅 및 건조하여 50 nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 촉매층을 형성한다.
상기 촉매층 형성용 조성물은 촉매, 바인더 및 용매를 포함할 수 있다.
이때 상기 촉매층 형성용 조성물은 500cps 내지 150,000cps의 점도, 보다 바람직하게는 700cps 내지 100,000cps, 더욱 바람직하게는 2,000 cps 내지 10,000cps의 점도를 갖는다. 상기 촉매층 형성용 조성물의 점도가 너무 낮으면 인쇄 후 일정 면적의 유지가 어렵고, 점도가 너무 높으면 인쇄성이 저하되어 바람직하지 않다.
여기서 상기 촉매는 분산성, 조성물 내에서 침강이 발생 및 경제성 등을 고려하여 그 첨가량을 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 앞서 설명한 바인더의 사용량은 수소 이온 전달 기능이 저하되지 않고, 전기 저항이 너무 높아져 집전 기능이 저하되지 않는 범위 내에서 조절이 가능하다.
상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, 에틸알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올 등을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 물과 함께 2-프로판올을 사용할 수 있다.
상기 용매는 점성이 저하되면 흐름성이 증가되므로 균일한 면적의 코팅에 바람직한 범위에서 그 사용량을 조절하는 것이 바람직하다.
일반적으로 바인더가 물 또는 물과 알코올의 공용매에 분산된 수분산액의 형태로 사용되고 있다.
상기 촉매층 형성용 조성물을 구성하는 각 성분은 기계 혼합 또는 초음파 혼 합의 방법으로 균일하게 혼합된다.
또한 상기 촉매층 형성용 조성물의 코팅 공정은 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 및 슬롯 다이 코팅법 등으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 스크린 프린팅법을 사용할 수 있다.
상기 촉매층 형성용 조성물을 코팅 및 건조하여 촉매층을 형성하는 단계는 촉매층 형성용 조성물을 기재 필름에 5 내지 10회에 걸쳐 실시하며, 상기 촉매층 형성용 조성물은 1회 코팅 및 건조 시 그 두께가 최종 촉매층 총 두께의 10% 내지 20%가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이는 전체 촉매층을 1회에 걸쳐서 코팅할 경우 촉매층 형성용 조성물의 점도를 그만큼 높게 잡아야 하므로 형성하고자 하는 촉매층의 표면 거칠기인 50 nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 내기 어렵기 때문이다.
마지막으로 상기 촉매층이 형성된 기재 필름을 고분자 전해질 막에 위치시키고 열과 압력을 가하여 50 nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 촉매층을 고분자 전해질 막에 전사한 후 상기 고분자 전해질 막에 전사된 코팅층으로부터 기재 필름을 제거한다.
상기 촉매층을 고분자 전해질 막에 전사하는 온도는 사용된 고분자 전해질 막의 유리전이온도 내지 유리전이온도 + 100℃의 온도 범위인 것이 바람직하고, 압 력은 50 kgf/cm2 내지 500 kgf/cm2으로 하여 상기 촉매층 형성용 조성물을 열간압연하여 고분자 전해질막에 전사한다. 보다 바람직하게는, 50 kgf/cm2 내지 200 kgf/cm2의 조건에서 열간 압연하여 전사할 수 있다. 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. 또한 고분자 전해질막에 물리적 변형이 발생할 우려가 있어 바람직하지 않다.
상기 전극 기재는 앞서 설명한 바와 동일하며, 고분자 전해질막에 전극 기재를 결착하는 방법은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
상기와 같이 제조된 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 전극과 고분자 전해질 막과의 반응 표면적이 증가되어 연료 전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 연료 전지의 구동에 따른 고분자 스웰링 시에도 코팅층에 형성된 패턴이 변형되거나 감소되는 일이 없다.
이하, 금형을 사용하여 요철을 형성하는 방법을 예시하여 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을, 도 2a 내지 2g를 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 상기 금형은 50 nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법은, 기재 필름(1) 상에 50nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도의 요철를 갖는 금형(2)을 준비(도 2a)하고, 이어서 도 2b에 나타낸 것과 같이 상기 금형(2)을 기재 필름(1)의 유리전이온도 내지 유리전이온도 + 100℃의 온도에서 가압한다. 그리고 나서 상기 금형(2)을 기재 필름(1)에서 분리(도 2c)하고, 상기 50 nm 내지 1 ㎛ 평균 표면 조도를 갖는 요철이 형성된 기재 필름(1) 상에 촉매층 형성용 조성물(3)을 코팅 및 건조(도 2d)하고, 상기 촉매층 형성용 조성물(3)이 50 nm 내지 1 ㎛의 평균 표면 조도의 갖도록 코팅 및 건조된 기재 필름(1)을 고분자 전해질 막의 일 측면에(도 2e) 열과 압력을 가하여 전사(도 2f)한 후 상기 고분자 전해질 막(4)의 일 측면으로부터 조도를 갖도록 코팅 및 건조된 촉매층 형성용 조성물(3)를 남기고 기재 필름만을 제거하여, 상기 고분자 전해질 막(4)에 촉매층(5)을 형성(도 2g)한다.
본 발명의 또 다른 일 실시형태에 따르면, 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)을 포함한다. 상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 이 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 캐소드 및 애노드 전극을 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역 할을 한다.
본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 3에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 3에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않고 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(115)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(120)와, 산화제를 상기 전기 발생부(115)로 공급하는 산화제 공급부(130)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(120)는 연료를 저장하는 연료 탱크(122), 연료 탱크(122)에 연결 설치되는 연료 펌프(124)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(124)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(122)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 전기 발생부(115)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(130)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(132)를 구비한다.
상기 전기 발생부(115)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(112)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(114, 114')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(115)가 적어도 하나 모여 스택(110)을 구성한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
Pt 블랙 (Hispec 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙(Hispec 6000, Johnson Matthey사제) 촉매 3.0g에 탈이온수 4.0g을 각각 적하하여 애노드 및 캐소드 촉매입자를 각각 수분으로 웨팅(wetting)하였다. 상기 촉매입자에 10wt% 나피온/H2O/2-프로판올(Nafion , Dupont사제) 분산액 9.0g을 적하한 후 기계적으로 교반하고 1M 테트라부틸암모늄하이드록사이드(TBAOH)/메탄올 용액 1.0g을 첨가하여 30분 간격으로 기계적 교반과 초음파 교반을 3회 반복한 후 12시간 동안 자석 교반기를 이용하여 기계적으로 더욱 교반하여 애노드 및 캐소드 촉매층 형성용 조성물을 각각 제조하였다.
폴리에틸렌테레프탈레이트 필름(PET 필름, Mitsubishi사제) 상에 1.0 mm의 평균 표면 조도를 갖는 금형을 준비한 후, 150℃의 온도에서 50kgf/cm2의 압력으로 5분간 가압하였다. 조도가 형성된 PET 필름 상에 상기 제조한 촉매층 형성용 조성 물을 면적 5x5cm2, 건조 두께 1회 코팅시 0.5mm가 되도록 10회 코팅한 후 질소 분위기의 80℃ 건조로에서 6시간 동안 건조하여 용매를 증발시켜 PET 필름에 촉매층을 형성시켰다. 촉매층이 형성된 PET 필름의 SEM 단면을 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타낸 것과 같이, 실시예 1에 따라 제조된 촉매층은 삼각형 형태의 요철이 형성되어 있음을 알 수 있다.
이어서 나트륨형 나피온(sodium-form Nafion 115)의 양면에 상기 촉매층이 코팅된 PET 필름을 정렬한 후 150℃의 온도와 50kgf/cm2의 압력을 5분간 가하고 PET 필름을 제거하여, 250 nm의 평균 표면 조도를 갖고, 30 mm 두께의 촉매층을 고분자 전해질 막에 전사하였다.
이어서, 촉매층이 전사된 고분자 전해질 막을 100℃의 황산 수용액에서 1시간 처리하여 프로톤형 고분자 전해질 막으로 전환시키고, 100℃의 탈이온수에서 1시간 처리하여 세척 후 상온에서 건조하였다.
상기 제조된 막-전극 어셈블리에 전극 기재로 10% 발수처리된 TGPH090 탄소지 일면에 미세기공층이 형성되어 있는 E-Tek사의 ELAT 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 단위 전지를 제조하였다.
(실시예 2)
0.75 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 금형을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 방법으로 실시하여 단위 전지를 제조하였다.
(실시예 3)
1.0 ㎛의 평균 표면 조도를 갖는 금형을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단위 전지를 제조하였다.
(비교예 1)
조도가 형성되지 않은 금형을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 단위 전지를 제조하였다.
(비교예 2)
조도가 5 ㎛ 금형을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 단위 전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예1에서 제조된 각각의 단위 전지에 대하여 1M 메탄올과 건조 공기를 공급하고 70℃의 온도에서 10시간 동안 운전하여, 전류 밀도를 측정하였다. 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 각각의 단위 전지에 대하여 1M 메탄올과 건조 공기를 공급하고 70℃의 온도에서 10시간 동안 운전하고, 운전 전압을 측정하였다. 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
평가항목 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예2
0,4 V 에서의 전류밀도(mA/cm2) 420 400 380 320 340
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 실시예 1 및 2의 연료 전지는 동일한 운전 조건에서 비교예 1에 비하여 높은 운전 전압을 나타내며, 특히, 더욱 미세한 조도가 형성된 실시예 1이 실시예 2 및 조도가 매우 높은 비교예 2에 비하여 높은 전류밀도를 나타내므로 우수한 출력 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도이고,
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 순차적으로 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 개략도이고,
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름 기재에 형성된 촉매층의 단면을 나타낸 SEM 사진이다.

Claims (16)

  1. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되며 적어도 일면이 50nm 내지 1㎛의 평균 표면 조도를 갖는 요철이 형성된 촉매층을 포함하는 것인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층에 형성된 요철의 평균 표면 조도는 50nm 내지 800nm인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 5㎛ 내지 50㎛의 두께를 갖는 것인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 원형, 삼각형 또는 사각형의 형태로 패턴화된 것인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 양면에 요철이 형성되는 것인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  6. 기재 필름에 50nm 내지 1㎛의 평균 표면 조도를 갖는 요철을 형성하는 단계;
    상기 요철이 형성된 기재 필름 상에 촉매층 형성용 조성물을 코팅 및 건조하여 50nm 내지 1㎛의 평균 표면 조도를 갖는 촉매층을 형성하는 단계;
    상기 촉매층이 형성된 기재 필름을 고분자 전해질 막에 위치시키고 열과 압력을 가하여 50nm 내지 1㎛의 평균 표면 조도를 갖는 촉매층을 고분자 전해질 막에 전사하는 단계; 및
    상기 고분자 전해질 막에 전사된 코팅층으로부터 기재 필름을 제거하는 단계를 포함하는
    연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기재 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA) 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (Ethylene/Tetrafluoroethylene(ETFE)), 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 고분자 필름인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 요철을 형성하는 단계는
    요철이 형성된 금형을 준비하는 단계;
    상기 금형을 사용된 기재필름의 유리전이온도 내지 유리전이온도 + 100℃의 온도 범위에서 기재 필름의 일 측면에 가압하는 단계; 및
    상기 금형을 기재 필름에서 분리하는 단계를 포함하는
    연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금형은 원형, 삼각형 또는 사각형의 형태로 패턴화된 것인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 상기 가압 공정은 30kgf/cm2 내지 100kgf/cm2의 압력으로 3분 내지 7분간 실시하는 것인
    연료 전지의 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 요철을 형성하는 단계는 러빙(rubbing)법을 이용하는 것인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 촉매층 형성용 조성물은 500cps 내지 150,000cps의 점도를 갖는 것인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 촉매층 형성용 조성물을 코팅 및 건조하여 촉매층을 형성하는 단계는 5 내지 10회에 걸쳐 실시하는 것인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 촉매층 형성용 조성물은 1회 코팅 및 건조 시 그 두께가 최종 촉매층 총 두께의 10% 내지 20%가 되도록 하는 것인
    연료 전지의 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  15. 제6항에 있어서,
    상기 촉매층을 고분자 전해질 막에 전사하는 온도는 사용된 고분자 전해질 막의 유리전이온도 내지 유리전이온도 + 100℃의 온도 범위인 것인
    연료 전지의 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  16. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지의 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적인 반응을 통하여 전기를 생성시키는 전기 발생부;
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는
    연료 전지 시스템.
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