KR20090032772A - Membrane electrode assembly for fuel cell, method for preparing same, and fuel cell system including same - Google Patents

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Abstract

A membrane electrode assembly for a fuel cell is provided to ensure excellent battery capacity by comprising a catalyst layer having a structure that has low content of a binder at the part adjacent to a solid polymer electrolyte membrane and high density and a structure that has high content of a binder at the part adjacent to an electrode substrate and proper porosity. A membrane electrode assembly for a fuel cell comprises an anode electrode and a cathode electrode which are faced with each other, and a polymeric electrolyte membrane positioned between the anode electrode and cathode electrode. At least one of the anode electrode and cathode electrode comprises an electrode base material and at least two catalyst layers including a catalyst and binder, which are positioned on the electrode substrate. The first catalyst layer contacting with the polymeric electrolyte membrane comprises the binder of less amount than the second catalyst layer contacting with the electrode substrate. The content ratio of the first catalyst layer and the second catalyst layer is 1 : 1.3 to 1 : 4.

Description

연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL, METHOD FOR PREPARING SAME, AND FUEL CELL SYSTEM INCLUDING SAME}Membrane-electrode assembly for fuel cell, method for manufacturing same, and fuel cell system including the same {MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL, METHOD FOR PREPARING SAME, AND FUEL CELL SYSTEM INCLUDING SAME}

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 향상된 전지 성능을 나타낼 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료 전지 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 to a membrane-electrode assembly for a fuel cell, a method for manufacturing the same, and the like, which can exhibit improved cell performance. It relates to a fuel cell system.

연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체 등과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 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. 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. 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 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). When methanol is used as the 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 장점이 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료 가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but a fuel reformer for reforming methane, methanol, natural gas, etc. in order to produce hydrogen, which is a fuel gas, requires attention to handling hydrogen gas. There is a problem that requires additional equipment such as.

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 "fuel electrode" or "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 흡착된 후, 산화되어 수소 이온과 전자를 발생시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 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 by a catalyst of the anode electrode, and then oxidized to generate hydrogen ions and electrons. The generated electrons are anode electrodes according to an external circuit. Is reached, the 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 발명은 향상된 전지 성능을 나타내는 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.The present invention provides a membrane-electrode assembly that exhibits improved cell performance.

본 발명은 또한, 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 제공하는 것이다.The present invention also provides a method of manufacturing the fuel cell membrane-electrode assembly.

본 발명은 또한, 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.The present invention also provides a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly for the fuel cell.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나는, 전극 기재 및 상기 전극 기재 위에 위치하며 촉매 및 바인더를 포함하는 2개의 촉매층을 포함하며, 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1촉매층은 전극 기재와 접하는 제2촉매층 보다 적은 양의 바인더를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes 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, at least one of the anode electrode and the cathode electrode, 2. A fuel cell comprising a substrate and two catalyst layers positioned on the electrode substrate and comprising a catalyst and a binder, wherein the first catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane comprises a smaller amount of binder than the second catalyst layer in contact with the electrode substrate. Provided is a membrane-electrode assembly.

또한, 제1촉매층과 제2촉매층에 포함된 바인더의 함량비는 1 : 1.3 내지 1 : 4인 것이 바람직하다.In addition, the content ratio of the binder included in the first catalyst layer and the second catalyst layer is preferably 1: 1.3 to 1: 4.

또한, 제1촉매층과 제2촉매층 사이에는 적어도 하나의 제3촉매층이 존재하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that at least one third catalyst layer exists between the first catalyst layer and the second catalyst layer.

또한, 상기 제1촉매층은 10 내지 40㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. In addition, the first catalyst layer preferably has a thickness of 10 to 40㎛.

또한, 상기 제2촉매층은 20 내지 50㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.In addition, the second catalyst layer preferably has a thickness of 20 to 50㎛.

또한, 상기 제1촉매층은 30 내지 70부피%의 기공도를 갖는 것이 바람직하다.In addition, the first catalyst layer preferably has a porosity of 30 to 70% by volume.

또한, 상기 제2촉매층은 40 내지 80부피%의 기공도를 갖는 것이 바람직하다. In addition, the second catalyst layer preferably has a porosity of 40 to 80% by volume.

본 발명은 또한, 이형필름의 일면에, 제1촉매층 형성용 조성물을 도포하여 제1촉매층을 형성하는 단계, 상기 이형필름에 형성된 제1촉매층을 고분자 전해질 막에 전사하는 단계, 상기 고분자 전해질 막에 전사된 제1촉매층위에, 제2촉매층 형성용 조성물을 직접 고팅하여 제2촉매층을 형성하는 단계, 및 상기 제1촉매층 및 제2촉매층이 형성된 고분자 전해질 막을 전극 기재 사이에 위치시킨 후 결착하는 단계를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention, by applying a composition for forming the first catalyst layer on one surface of the release film, forming a first catalyst layer, transferring the first catalyst layer formed on the release film to a polymer electrolyte membrane, to the polymer electrolyte membrane Directly fixing the composition for forming the second catalyst layer on the transferred first catalyst layer to form a second catalyst layer, and placing and then binding the polymer electrolyte membrane having the first catalyst layer and the second catalyst layer formed thereon between electrode substrates. Provided is a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell.

또한, 상기 제1촉매층 형성용 조성물은 제1촉매 및 제1바인더를 1 : 0.05 내지 1: 0.15의 중량비로 포함하고, 제2촉매층 형성용 조성물은 제2촉매 및 제2바인더를 1 : 0.1 내지 1 : 0.2의 중량비로 포함하는 것이 바람직하다.The composition for forming the first catalyst layer may include the first catalyst and the first binder in a weight ratio of 1: 0.05 to 1: 0.15, and the composition for forming the second catalyst layer may include the first catalyst and the second binder from 1: 0.1 to 0.1. It is preferable to include in the weight ratio of 1: 0.2.

본 발명은 또한, 상기 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 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 a separator located on both sides of the membrane-electrode assembly and the membrane-electrode assembly, the at least one electricity generating unit for generating electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, the fuel to the electricity A fuel cell system includes a fuel supply unit for supplying a generator, and an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generator.

본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리는, 고분자 전해질 막과 인접한 부분에서는 바인더의 함량이 낮고 밀집된 구조를 갖으며, 전극 기재와 인접한 부분에서는 바인더의 함량이 높고 적정한 기공도를 갖는 최적화된 구조를 갖는 촉매층을 포함하여, 우수한 전지 성능을 나타낼 수 있다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention has an optimized structure having a low binder content and a dense structure at a portion adjacent to the polymer electrolyte membrane, and a high binder content at an adjacent portion with the electrode substrate and an appropriate porosity. Including a catalyst layer, excellent battery performance can be exhibited.

일반적으로 막-전극 어셈블리의 촉매층으로는, 탄화 수소 연료가 용이하게 침투하여 반응할 수 있는 촉매층이 선호되고 있으나, 이 경우 애노드 전극과 고분자 전해질 막의 계면에서 다량의 연료가 접촉하게 되어, 연료가 고분자 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하는 크로스오버(cross over)가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 촉매층은 보통 직접 코팅을 통해 형성되는데, 장시간 연료 전지를 구동하는 경우 고분자 전해질 막이 팽창하여, 고분자 전해질 막과 촉매층간의 탈리가 발생하는 문제점이 있다.In general, a catalyst layer capable of easily penetrating and reacting with a hydrocarbon fuel is preferred as a catalyst layer of the membrane-electrode assembly. However, in this case, a large amount of fuel contacts at the interface between the anode electrode and the polymer electrolyte membrane, and the fuel is polymer. There is a problem in that crossover occurs that moves to the cathode electrode through the electrolyte membrane. In addition, the catalyst layer is usually formed through a direct coating, when the fuel cell is driven for a long time there is a problem that the polymer electrolyte membrane is expanded, so that desorption between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer occurs.

반면, 열간 압연으로 촉매층과 고분자 전해질 막을 접합하면, 밀집된(dense) 구조를 갖는 촉매층이 형성되어 연료의 크로스오버 문제를 예방할 수 있다. 또한, 고분자 전해질 막과 인접한 부분의 촉매층은 촉매 입자가 일정 부분 고분자 전해질 막에 삽입되어, 적은 양의 바인더로도 촉매층과 고분자 전해질 막의 접착력 및 수소 이온 전도성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.On the other hand, when the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane are bonded by hot rolling, a catalyst layer having a dense structure can be formed to prevent a fuel crossover problem. In addition, the catalyst layer in a portion adjacent to the polymer electrolyte membrane has an advantage that the catalyst particles are inserted into the polymer electrolyte membrane in a portion, thereby improving adhesion and hydrogen ion conductivity between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane even with a small amount of binder.

그러나, 열간 압연으로 촉매층을 형성하는 경우, 촉매층 전체적으로 기공도 가 낮아져, 애노드 전극에서 생성된 CO2 및 물 등의 생성물이 전극 기재쪽으로 용이하게 배출되는 데 어려움이 있다.However, in the case of forming the catalyst layer by hot rolling, the porosity of the catalyst layer as a whole is low, and it is difficult to easily discharge products such as CO 2 and water generated at the anode electrode toward the electrode substrate.

이에 본 발명에서는, 고분자 전해질 막과 인접한 부분에서는 밀집된 구조를 갖고, 전극 기재와 인접한 부분에서는 적정한 기공도를 갖는 최적화된 구조를 가지며, 적은 양의 바인더로도 고분자 전해질 막과의 접착력 및 우수한 수소 이온 전도성을 갖는 연료 전지용 촉매층을 제공한다.Therefore, in the present invention, the structure adjacent to the polymer electrolyte membrane has a dense structure, and the portion adjacent to the electrode substrate has an optimized structure having an appropriate porosity, and even with a small amount of binder, adhesion with the polymer electrolyte membrane and excellent hydrogen ions Provided is a catalyst layer for fuel cells having conductivity.

본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리는,The membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention,

서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나는, 전극 기재 및 상기 전극 기재 위에 위치하는 2개의 촉매층을 포함한다.An anode electrode and a cathode electrode which are located opposite to each other and 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 and two catalyst layers positioned on the electrode substrate.

상기 촉매층은 촉매 및 바인더를 포함하며, 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1촉매층은 전극 기재와 접하는 제2촉매층 보다 적은 양의 바인더를 포함하는 구조를 갖는다. 상기 제1촉매층과 제2촉매층에 포함된 바인더의 함량비는 1 : 1.3 내지 1 : 4인 것이 바람직하고, 1 : 2 내지 1 : 2.5인 것이 보다 바람직하다. 상기 범위에서는 전극의 삼상계면이 잘 형성되고, 물질 전달 저항에도 영향을 받지 않는 장점이 있어 바람직하다. 그러나, 상기 범위를 벗어나는 경우 전기 전도성 및 물질 전달 저항에 문제가 발생하거나, 이온 전도성이 저하되고 촉매층 내에 촉매, 바인더, 및 수분의 삼상계면이 잘 형성되지 않아 전지 성능이 저하되는 문제점 이 발생할 수 있어, 바람직하지 못하다.The catalyst layer includes a catalyst and a binder, and the first catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane has a structure including a smaller amount of binder than the second catalyst layer in contact with the electrode substrate. The content ratio of the binder included in the first catalyst layer and the second catalyst layer is preferably 1: 1.3 to 1 : 4, and more preferably 1: 2 to 1: 2.5. In the above range, the three-phase interface of the electrode is well formed, it is preferable because there is an advantage not affected by the mass transfer resistance. However, when out of the above range, problems may occur in electrical conductivity and mass transfer resistance, or ion conductivity may be deteriorated, and three-phase interface of catalyst, binder, and water may not be well formed in the catalyst layer, thereby degrading battery performance. , Not preferred.

상기 제1촉매층은 제1촉매 및 제1바인더를 1 : 0.05 내지 1 : 0.15의 중량비로 포함하는 것이 바람직하고, 1 : 0.07 내지 1 : 0.1의 중량비로 포함하는 것이 보다 바람직하다. 상기 범위에서는 적은 양의 바인더로도 촉매층과 고분자 전해질 막간의 우수한 접착력을 나타낼 수 있으며, 촉매층 내에 삼상계면이 잘 형성되어 전지 성능을 향상시킬 수 있어 바람직하다. The first catalyst layer preferably includes a first catalyst and a first binder in a weight ratio of 1: 0.05 to 1: 0.15, and more preferably includes a weight ratio of 1: 0.07 to 1: 0.1. In the above range, even a small amount of binder may exhibit excellent adhesion between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, and the three-phase interface is well formed in the catalyst layer, thereby improving battery performance.

상기 제2촉매층은 제2촉매 및 제2바인더를 1 : 0.1 내지 1 : 0.2의 중량비로 포함하는 것이 바람직하고, 1 : 0.12 내지 1 : 0.16의 중량비로 포함하는 것이 보다 바람직하다. 상기 범위에서는 촉매층의 수소 이온 전도성을 높일 수 있어 향상된 전지 성능을 나타낼 수 있으며, 물질 전달 저항 및 전자 전도성에 영향을 주지 않으면서 촉매층 내에 삼상계면이 잘 형성되어 전지 성능을 향상시킬 수 있어 바람직하다.The second catalyst layer preferably includes the second catalyst and the second binder in a weight ratio of 1: 0.1 to 1: 0.2, and more preferably in a weight ratio of 1: 0.12 to 1: 0.16. In the above range, it is possible to increase the hydrogen ion conductivity of the catalyst layer, thereby exhibiting improved battery performance, and the three-phase interface is well formed in the catalyst layer without affecting the mass transfer resistance and the electron conductivity, which is preferable.

또한, 상기 제1촉매층과 제2촉매층 사이에는 제3촉매층이 존재할 수 있으며, 상기 제3촉매층은 제1촉매층의 제1촉매 및 제1바인더의 함량비과, 제2촉매층의 제2촉매 및 제2바인더의 함량비의 중간범위로 촉매 및 바인더를 함유하는 것일 수 있ㄷ다.In addition, a third catalyst layer may be present between the first catalyst layer and the second catalyst layer, wherein the third catalyst layer has a content ratio of the first catalyst and the first binder of the first catalyst layer, the second catalyst and the second catalyst of the second catalyst layer. It may be one containing a catalyst and a binder in the middle of the content ratio of the binder.

상기 제1촉매층은 30 내지 70부피%의 기공도를 갖는 것이 바람직하고, 30 내지 55부피%의 기공도를 갖는 것이 보다 바람직하고, 45 내지 55부피%의 기공도를 갖는 것이 보다 더욱 바람직하다. 상기 범위에서는 제1촉매층이 밀집된 구조를 가질 수 있어, 고분자 전해질 막을 통해 연료가 넘어오는 크로스오버의 문제점을 예 방할 수 있다. The first catalyst layer preferably has a porosity of 30 to 70% by volume, more preferably a porosity of 30 to 55% by volume, and even more preferably has a porosity of 45 to 55% by volume. In the above range, the first catalyst layer may have a dense structure, thereby preventing a problem of crossover in which fuel flows through the polymer electrolyte membrane.

또한, 상기 제2촉매층은 40 내지 80부피%의 기공도를 갖는 것이 바람직하고, 50 내지 80부피%의 기공도를 갖는 것이 보다 바람직하고, 55 내지 80부피%의 기공도를 갖는 것이 보다 더욱 바람직하고, 60 내지 70부피%의 기공도를 갖는 것이 보다 더욱 더 바람직하다. 상기 범위 내에서는 애노드 전극에서 생성된 CO2 및 물 등의 생성물이 전극 기재쪽으로 용이하게 배출될 수 있어 바람직하다. In addition, the second catalyst layer preferably has a porosity of 40 to 80% by volume, more preferably 50 to 80% by volume, even more preferably 55 to 80% by volume. It is even more preferable to have a porosity of 60 to 70% by volume. Within this range, products such as CO 2 and water generated at the anode electrode can be easily discharged toward the electrode substrate.

상기 제1촉매층은 10 내지 40㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 10 내지 30㎛의 두께를 갖는 것이 보다 바람직하고, 15 내지 25㎛의 두께를 갖는 것이 보다 더욱 바람직하다. 상기 범위에서는 열간 압연을 통해 고분자 전해질 막으로 전사할 때 전사가 잘 이루지는 장점이 있어 바람직하다. 또한, 상기 제2촉매층은 20 내지 50㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 25 내지 35㎛의 두께를 갖는 것이 보다 바람직하다. 상기 범위에서는 반응물과 생성물의 전달 거리를 줄일 수 있어 바람직하다.It is preferable that the said 1st catalyst layer has a thickness of 10-40 micrometers, It is more preferable that it has a thickness of 10-30 micrometers, It is further more preferable that it has a thickness of 15-25 micrometers. In the above range, there is an advantage that the transfer is well achieved when transferring to the polymer electrolyte membrane through hot rolling. In addition, the second catalyst layer preferably has a thickness of 20 to 50 μm, more preferably 25 to 35 μm. Within this range, the delivery distance between the reactants and the product can be reduced, which is preferable.

상기 제1촉매 및 제2촉매는 동일하거나 서로 상이할 수 있으며, 상기 제1촉매 및 제2촉매로는 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. The first catalyst and the second catalyst may be the same or different from each other, and the first catalyst and the second catalyst may participate in the reaction of the fuel cell, and any one that can be used as a catalyst may be used. System catalysts can be used. 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, Transition metals selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru, and combinations thereof).

이와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극은 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극 촉매로는 보다 바람직하다.  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 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 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 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.As described above, the anode electrode and the cathode electrode may use the same material, but in order to prevent the catalyst poisoning caused by CO generated during the anode electrode reaction in the direct oxidation fuel cell, a platinum-ruthenium alloy catalyst is used as the anode. It is more preferable as an electrode catalyst. 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 combinations thereof may be used. 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. In the case of using the noble metal supported on the carrier as a catalyst, a commercially available commercially available product may be used, or the noble metal supported on the carrier may be prepared and used. Since the process of supporting the precious metal on the carrier is well known in the art, detailed descriptions thereof will be readily understood by those skilled in the art even if the detailed description is omitted.

상기 제1바인더 및 제2바인더는 동일하거나 서로 상이할 수 있으며, 상기 제1바인더 및 제2바인더로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌 산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리[2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸](poly[2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimida zole]) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. The first binder and the second binder may be the same or different from each other, and as the first binder and the second binder, it is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity, and more preferably a sulfonic acid group, Any polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonine acid group and derivatives thereof 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, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly [2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenziimi Containing one or more hydrogen ion conducting polymers selected from dazole] (poly [2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimida zole]) or poly (2,5-benzimidazole) Available All.

상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 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. The hydrogen ion conductive polymer may replace H with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in a cation exchanger at the side chain terminal. 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.

상기 제1바인더 수지 및 제2바인더 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 적합하도 록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다. The first binder resin and the second 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 use the amount adjusted so that it is suitable for the purpose of use.

상기 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다. The non-conductive polymer may be polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoroethylene ( ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE)), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymers of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dodecylbenzenesulfonic acid And sorbitol (Sorbitol) is one or more selected from the group consisting of.

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 금속으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것)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 in a fibrous state). The metal film is formed on the surface of the formed cloth) may be used, but is not limited thereto.

또한, 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.  상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또 는 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 due to water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polypolyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, and fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene or copolymers thereof can be used.

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

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지, 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다.  상기 미세기공층의 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다.  또한, 상기 미세기공층의 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. As the binder resin of the microporous layer, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl Alcohols, cellulose acetates or copolymers thereof can be preferably used. In addition, the solvent of the microporous layer is preferably alcohol, such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. Can be 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 구조를 갖는 촉매층을 포함하는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에는 고분자 전해질 막이 위치한다. The polymer electrolyte membrane is positioned between the anode electrode and the cathode electrode including the catalyst layer having the structure.

상기 고분자 전해질 막은 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 may be made of any polymer resin having hydrogen ion conductivity. 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, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리[2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸](poly[2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole]), 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone It may include 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), 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]), or one selected from poly (2,5-benzimidazole) The above is mentioned.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다.  수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 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 한 다. In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, H may be substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium. In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, NaOH is substituted when H is replaced with Na, and tetrabutylammonium hydroxide is used when the substituent is substituted with tetrabutylammonium. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법은, 이형필름의 일면에, 제1촉매층 형성용 조성물을 도포하여 제1촉매층을 형성하는 단계(S1), 상기 이형필름에 형성된 제1촉매층을 고분자 전해질 막에 전사하는 단계(S2), 상기 고분자 전해질 막에 전사된 제1촉매층위에, 제2촉매층 형성용 조성물을 직접 고팅하여 제2촉매층을 형성하는 단계(S3), 및 상기 제1촉매층 및 제2촉매층이 형성된 고분자 전해질 막을 전극 기재 사이에 위치시킨 후 결착하는 단계(S4)를 포함한다.Method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the step of forming a first catalyst layer by applying a composition for forming a first catalyst layer on one surface of a release film (S1), formed on the release film Transferring the first catalyst layer to the polymer electrolyte membrane (S2), directly fixing the composition for forming the second catalyst layer on the first catalyst layer transferred to the polymer electrolyte membrane to form a second catalyst layer (S3), and And placing the polymer electrolyte membrane in which the first catalyst layer and the second catalyst layer are formed between the electrode substrates and then binding the polymer electrolyte membrane (S4).

먼저, 이형필름의 일면에 제1촉매층 형성용 조성물을 도포하여 제1촉매층을 형성하는 단계를 실시한다(S1). First, a step of forming a first catalyst layer by applying a composition for forming a first catalyst layer on one surface of a release film (S1).

상기 제1촉매층 형성용 조성물은 제1촉매 및 제1바인더를 메탄올 등의 용매에서 혼합하여 제조하며, 상기 제1촉매 및 제1바인더의 종류는 앞서 설명한 것과 동일하다.The first catalyst layer-forming composition is prepared by mixing the first catalyst and the first binder in a solvent such as methanol, and the kind of the first catalyst and the first binder is the same as described above.

상기 제1촉매층 형성용 조성물은 제1촉매 및 제1바인더를 1 : 0.05 내지 1: 0.15의 중량비로 포함하는 것이 바람직하고, 1: 0.07 내지 1: 0.1의 중량비로 포함하는 것이 보다 바람직하다. 상기 범위에서는, 적은 양의 바인더로도 촉매층과 고분자 전해질 막간의 우수한 접착력을 나타낼 수 있으며, 촉매층의 삼상계면이 잘 형성될 수 있어 전지 성능을 향상시킬 수 있어 바람직하다. The first catalyst layer-forming composition preferably includes the first catalyst and the first binder in a weight ratio of 1: 0.05 to 1: 0.15, and more preferably in a weight ratio of 1: 0.07 to 1: 0.1. In the above range, even a small amount of binder can exhibit excellent adhesion between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, the three-phase interface of the catalyst layer can be formed well, it is preferable to improve the battery performance.

상기 이형필름으로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공 중합체, 에틸렌/테트라플루오로에틸렌, 폴리 비닐리덴플루오라이드. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 실리콘(silicone) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. Examples of the release film include polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer, ethylene / tetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyimide, silicone (silicone) and combinations thereof may be used.

상기 제1촉매층 형성용 조성물을 이형필름에 도포하는 방법은, 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크스크린법, 페인팅법, 슬롯다이법로 이루어진 군에서 선택되는 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 보다 바람직하게는 실크 스크린 법이 사용될 수 있으며, 이외에도 통상의 실시되는 모든 방법이 사용될 수 있다. The method of applying the composition for forming the first catalyst layer to the release film may include 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. It may be carried out by a method selected from the group consisting of, but is not limited thereto. Also, more preferably, the silk screen method may be used, and in addition, all conventional methods may be used.

이어서, 상기 이형필름에 형성된 제1촉매층을 고분자 전해질 막에 전사하는 단계를 실시한다(S2).Next, the step of transferring the first catalyst layer formed on the release film to the polymer electrolyte membrane (S2).

상기 전사 단계의 온도는 80 내지 180℃인 것이 바람직하고, 120 내지 135℃인 것이 보다 바람직하다. 상기 범위 내에서는 바인더 및 고분자 전해질 막의 유리 전이 온도가 100℃근처이므로 열간 압연시 잘 결착되는 장점이 있어 바람직하며, 상기 범위를 벗어나는 경우 고분자 전해질 막과 전극이 결착되지 않는 문제점 및 온도가 높을 경우 설폰 그룹의 분해가 이루어지는 문제점이 발생할 수 있어 바람직하지 못하다.It is preferable that it is 80-180 degreeC, and, as for the temperature of the said transfer step, it is more preferable that it is 120-135 degreeC. Within the above range, the glass transition temperature of the binder and the polymer electrolyte membrane is near 100 ° C., so that the binder is well bonded during hot rolling, and if it is out of the above range, the polymer electrolyte membrane and the electrode are not bound and the sulfon is high. The problem of decomposition of the group may occur, which is undesirable.

상기 전사 단계의 압력은 20 내지 70kgf/cm2인 것이 바람직하고, 45 내지 55kgf/cm2인 것이 보다 바람직하다. 상기 범위에서는 다량의 촉매 입자가 고분자 전해질 막에 접착된 밀집된 구조를 형성할 수 있어 바람직하고, 장시간 동안 연료 전지의 구동시에도, 고분자 전해질 막의 팽창으로 이한 촉매층과의 탈리 현상을 예방할 수 있어 바람직하다. 상기 범위를 벗어나는 경우에는 제1촉매층이 고분자 전해질 막으로 잘 전사되지 않거나, 전사 압력이 높을 경우 전사된 제1촉매층이 너무 치밀해져 물질 전달 저항 및 반응배출이 용이하지 않는 문제점이 발생할 수 있어 바람직하지 못하다. The pressure of the transfer step that is 20 to 70kgf / cm 2, and more preferably of 45 to 55kgf / cm 2. In the above range, a large amount of catalyst particles can form a dense structure in which the polymer electrolyte membrane is adhered to the polymer electrolyte membrane, and it is preferable to prevent desorption from the catalyst layer due to expansion of the polymer electrolyte membrane even when the fuel cell is driven for a long time. . If it is out of the above range, the first catalyst layer is not easily transferred to the polymer electrolyte membrane, or if the transfer pressure is high, the transferred first catalyst layer may be too dense, which may cause a problem in that mass transfer resistance and reaction discharge are not easy. Can not do it.

열간 압연에 의해, 고분자 전해질 막에 전사된 제1촉매층은 밀집된 구조를 가져, 고분자 전해질 막을 통해 연료가 이동하는 크로스오버의 문제점을 예방할 수 있으며, 제1촉매층의 촉매 입자가 일정 부분 고분자 전해질 막에 삽입될 수 있어, 적은 양의 바인더로도 촉매층과 고분자 전해질 막간의 접착력을 우수하게 유지할 수 있다.By hot rolling, the first catalyst layer transferred to the polymer electrolyte membrane has a dense structure to prevent the problem of crossover in which fuel moves through the polymer electrolyte membrane, and the catalyst particles of the first catalyst layer are partially deposited on the polymer electrolyte membrane. It can be inserted, so that even a small amount of binder can maintain excellent adhesion between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane.

이어서, 상기 제1촉매층이 형성된 고분자 전해질 막에, 제2촉매층 형성용 조성물을 직접 코팅하여, 제2촉매층을 형성하는 단계를 실시한다(S3).Subsequently, the second catalyst layer is formed by directly coating the composition for forming a second catalyst layer on the polymer electrolyte membrane in which the first catalyst layer is formed (S3).

상기 제2촉매층 형성용 조성물은 제2촉매 및 제2바인더를 메탄올 등의 용매에서 혼합하여 제조할 수 있으며, 제2촉매 및 제2바인더는 앞서 설명한 것과 동일하다.The composition for forming the second catalyst layer may be prepared by mixing the second catalyst and the second binder in a solvent such as methanol, and the second catalyst and the second binder are the same as described above.

상기 제2촉매층 형성용 조성물은 제2촉매 및 제2바인더를 1 : 0.1 내지 1: 0.2의 중량비로 포함하는 것이 바람직하고, 1:0.12 내지 1:0.16의 중량비로 포함하는 것이 보다 바람직하다. 상기 범위 내에서는 촉매층의 수소 이온 전도도를 높일 수 있어 향상된 전지 출력을 나타낼 수 있고, 촉매층의 삼상계면이 잘 형성될 수 있어 바람직하다.The composition for forming the second catalyst layer preferably includes the second catalyst and the second binder in a weight ratio of 1: 0.1 to 1: 0.2, and more preferably in a weight ratio of 1: 0.12 to 1: 0.16. Within this range, the hydrogen ion conductivity of the catalyst layer can be increased, which can result in improved battery output, and the three-phase interface of the catalyst layer can be well formed.

상기 제1촉매층 위에 제2촉매층을 직접 코팅하는 것은, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 페인팅법, 슬롯다이법로 이루어진 군에서 선택되는 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 통상의 실시되는 모든 직접 코팅 방법이 사용될 수 있다. Direct coating of the second catalyst layer on the first catalyst layer may be performed by a method selected from the group consisting of spray coating method, coating method using a doctor blade, gravure coating method, dip coating method, painting method and slot die method. However, the present invention is not limited thereto, and all direct coating methods that are commonly practiced may be used.

이와 같이, 제1촉매층 위에 형성되는 제2촉매층은, 직접 코팅에 의해 형성되는 것이므로, 제1촉매층보다 증가된 기공도를 가져, 애노드 전극에서 생성된 CO2 및 물 등의 생성물을 전극 기재쪽으로 용이하게 배출할 수 있다.As such, since the second catalyst layer formed on the first catalyst layer is formed by direct coating, the second catalyst layer has an increased porosity than the first catalyst layer, so that products such as CO 2 and water generated at the anode electrode are easily directed toward the electrode substrate. Can be discharged.

다음으로, 상기 제1촉매층 및 제2촉매층이 형성된 고분자 전해질 막을 전극 기재 사이에 위치시킨 후 결착하는 단계를 실시한다(S4).Next, the polymer electrolyte membrane in which the first catalyst layer and the second catalyst layer are formed is positioned between the electrode substrates and then bound (S4).

상기 고분자 전해질 막 및 전극 기재는 앞서 설명한 것과 동일하며, 상기 고분자 전해질 막에 전극 기재를 결착하는 것은 통상의 방법으로 실시할 수 있는 바 자세한 설명은 생략한다. The polymer electrolyte membrane and the electrode substrate are the same as described above, the binding of the electrode substrate to the polymer electrolyte membrane can be carried out in a conventional manner bar detailed description thereof will be omitted.

상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 제조 방법은 전사 단계 및 직접 코팅 단계에 의해 촉매층을 제조함으로써, 최적화된 구조를 갖는 막-전극 어셈블리를 제조할 수 있다.As described above, according to the method of manufacturing the membrane-electrode assembly according to the embodiment of the present invention, the membrane-electrode assembly having an optimized structure can be manufactured by manufacturing the catalyst layer by the transfer step and the direct coating step.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 구성을 갖는 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell system including the membrane-electrode assembly having the above configuration.

상기 연료전지 시스템은 상기 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 존재하는 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 separators on both sides of the membrane-electrode assembly and the membrane-electrode assembly, and generates a fuel supply unit and an oxidant to supply fuel to the electricity generating unit. And an oxidant supply unit for supplying to the unit.

상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리를 포함하고, 세퍼레이터를 포함하며, 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating unit includes a membrane-electrode assembly, includes a separator, 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(1)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)과 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급 부(7)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 1 of the present invention includes at least one electricity generating unit 3 for generating electrical energy through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, a fuel supply unit 5 for supplying the fuel, and an oxidant. It comprises a oxidant supply unit 7 for supplying 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 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)

캐소드 촉매인 Pt 블랙과 애노드 촉매인 Pt/Ru 블랙을 각각 나피온과 92 : 8의 중량비로, 이소프로필 알코올 용액 50㎖에서 혼합하여 캐소드용 제1촉매층 형성용 조성물 및 애노드용 제1촉매층 형성용 조성물을 제조하였다.Pt black, a cathode catalyst, and Pt / Ru black, an anode catalyst, were mixed in 50 ml of isopropyl alcohol solution at a weight ratio of Nafion and 92: 8, respectively, to form a composition for forming a first catalyst layer for cathode and a first catalyst layer for anode The composition was prepared.

상기 캐소드용 및 애노드용 제1촉매층 형성용 조성물을 각각 테플론 필름위에 50㎛의 두께로 코팅하여, 캐소드용 및 애노드용 제1촉매층을 각각 형성하였다. 상기 제1촉매층이 코팅된 테플론 필름을 질소 분위기의 80℃ 건조로에서 6시간 동안 건조하여 용매를 증발시켰다. The cathode and anode first catalyst layer-forming compositions were coated on a Teflon film with a thickness of 50 μm, respectively, to form a cathode and an anode first catalyst layer, respectively. The Teflon film coated with the first catalyst layer was dried in an 80 ° C. drying furnace under a nitrogen atmosphere for 6 hours to evaporate the solvent.

이후, 나피온의 고분자 전해질 막의 양면에, 캐소드용 제1촉매층이 형성된 이형필름과 애노드용 제1촉매층이 형성된 이형필름을 정렬한 후 135℃의 온도와 55kgf/cm2의 압력을 인가하여, 상기 캐소드용 제1촉매층 및 애노드용 제1촉매층을 각각 고분자 전해질 막의 양면에 전사하였다. After aligning the release film on which the first catalyst layer for the cathode is formed and the release film on which the first catalyst layer for the anode is formed on both sides of the polymer electrolyte membrane of Nafion, a temperature of 135 ° C. and a pressure of 55 kgf / cm 2 are applied thereto. The first catalyst layer for the cathode and the first catalyst layer for the anode were transferred to both sides of the polymer electrolyte membrane, respectively.

이어서, 캐소드 촉매인 Pt 블랙과 애노드 촉매인 Pt/Ru 블랙을 각각 나피온과 85 : 15의 중량비로, 이소프로필 알코올 용액 50㎖에서 혼합하여 캐소드용 제2촉매층 형성용 조성물 및 애노드용 제2촉매층 형성용 조성물을 제조하였다. 이를 상기 제1촉매층이 전사된 고분자 전해질 막의 양면에 직접 코팅하여, 제1촉매층 및 제2촉매층이 형성된 고분자 전해질 막을 제조하였다.Subsequently, Pt black as a cathode catalyst and Pt / Ru black as an anode catalyst are mixed with Nafion at a weight ratio of 85: 15, respectively, in 50 ml of isopropyl alcohol solution to form a composition for forming a second catalyst layer for the cathode and a second catalyst layer for the anode. A composition for formation was prepared. This was directly coated on both surfaces of the polymer electrolyte membrane to which the first catalyst layer was transferred, thereby preparing a polymer electrolyte membrane in which the first catalyst layer and the second catalyst layer were formed.

이후, 상기 막-전극 어셈블리를 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. Subsequently, the membrane-electrode assembly was inserted between two gaskets, and then inserted into two separators having a predetermined gas flow channel and a cooling channel, and pressed between copper end plates to prepare a unit cell. .

제조된 단전지에서 제1촉매층 및 제2촉매층에 포함된 바인더의 함량비는 1 : 1.88이었다. 또한, 제1촉매층의 기공도는 45부피%이었고, 두께는 15㎛이었으며, 제2촉매층의 기공도는 70부피%이었고, 두께는 35㎛ 이었다. In the manufactured single cell, the content ratio of the binder included in the first catalyst layer and the second catalyst layer was 1: 1.88. In addition, the porosity of the first catalyst layer was 45% by volume, the thickness was 15 μm, the porosity of the second catalyst layer was 70% by volume, and the thickness was 35 μm.

(실시예 2)(Example 2)

Pt 블랙 및 Pt/Ru 블랙을 각각 나피온과 89 : 11의 중량비로 이소프로필 알 코올 용액 50㎖에서 혼합하여 제1촉매층 형성용 조성물을 제조하고, Pt 블랙과 Pt/Ru 블랙을 각각 나피온과 85 : 15의 중량비로 이소프로필 알코올 50㎖에서 혼합하여 제2촉매층 형성용 조성물을 제조하고, 이를 제1촉매층 및 제2촉매층의 형성에 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 단전지를 제조하였다. 제조된 단전지에서 제1촉매층 및 제2촉매층에 포함된 바인더의 함량비는 1 : 1.36이었다. 또한, 제1촉매층의 기공도는 40부피%이었고, 두께는 15㎛이었으며, 제2촉매층의 기공도는 70부피%이었고, 두께는 35㎛ 이었다. Pt black and Pt / Ru black were mixed in 50 ml of isopropyl alcohol solution at a weight ratio of Nafion and 89: 11, respectively, to prepare a composition for forming the first catalyst layer, and Pt black and Pt / Ru black were respectively mixed with Nafion and Nafion. A single cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the composition for forming the second catalyst layer was prepared by mixing in 50 ml of isopropyl alcohol at a weight ratio of 85:15, and using the same to form the first catalyst layer and the second catalyst layer. Prepared. In the manufactured single cell, the content ratio of the binder included in the first catalyst layer and the second catalyst layer was 1: 1.36. In addition, the porosity of the first catalyst layer was 40% by volume, the thickness was 15 μm, the porosity of the second catalyst layer was 70% by volume, and the thickness was 35 μm.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

캐소드 촉매인 Pt 블랙 (Hispec® 1000, Johnson Matthey사제)과 애노드 촉매인 Pt/Ru 블랙 (Hispec® 6000, Johnson Matthey사제)을 각각 나피온(Nafion® Dupont사제)과 1: 0.15의 중량비로, 이소프로필 알코올 용액 50㎖에서 혼합하여 캐소드용 촉매층 형성용 조성물 및 애노드용 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다. Pt black (Hispec ® 1000, manufactured by Johnson Matthey) as the cathode catalyst and Pt / Ru black (Hispec ® 6000 manufactured by Johnson Matthey) as the anode catalyst were respectively used in a weight ratio of 1: 0.15 and Nafion (manufactured by Nafion ® Dupont). It was mixed in 50 ml of propyl alcohol solution to prepare a composition for forming a catalyst layer for the cathode and a composition for forming a catalyst layer for the anode.

상기 캐소드용 및 애노드용 촉매층 형성용 조성물을 각각 전해질 막 위에 50㎛의 두께로 직접 코팅하여, 캐소드용 및 애노드용 촉매층을 각각 형성하였다.The cathode and anode catalyst layer-forming compositions were directly coated on the electrolyte membrane with a thickness of 50 μm, respectively, to form a catalyst layer for the cathode and the anode, respectively.

상기 촉매층이 형성된 고분자 전해질 막을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여, 단전지를 제조하였다.A single cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the polymer electrolyte membrane in which the catalyst layer was formed was used.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

캐소드 촉매인 Pt 블랙과 애노드 촉매인 Pt/Ru 블랙을 각각 나피온과 85 : 15의 중량비로, 이소프로필 알코올 50㎖에서 혼합하고 충분히 교반하여 캐소드용 촉매 형성용 조성물 및 애노드용 촉매 형성용 조성물을 제조하였다. Pt black, a cathode catalyst, and Pt / Ru black, an anode catalyst, were mixed in 50 ml of isopropyl alcohol at a weight ratio of 85: 15 with Nafion, respectively, and sufficiently stirred to prepare a catalyst catalyst composition and a catalyst catalyst composition for anode. Prepared.

상기 캐소드용 및 애노드용 촉매부 형성용 조성물을 각각 테플론(Teflon) 필름위에 50㎛의 두께로 코팅하여, 캐소드용 및 애노드용 촉매층을 형성하였다. 상기 촉매층이 코팅된 테플론 필름을 질소 분위기의 80℃ 건조로에서 6시간 동안 건조하여 용매를 증발시켰다. The cathode and anode catalyst part formation compositions were coated on a Teflon film with a thickness of 50 μm, respectively, to form a catalyst layer for the cathode and the anode. The catalyst layer coated Teflon film was dried in an 80 ° C. drying furnace under a nitrogen atmosphere for 6 hours to evaporate the solvent.

이후, 나피온의 고분자 전해질 막의 양면에, 캐소드용 촉매층이 형성된 이형필름과 애노드용 촉매층이 형성된 이형필름을 정렬한 후 135℃의 온도와 55kgf/cm2의 압력을 인가하여, 상기 캐소드용 및 애노드용 촉매층을 고분자 전해질 막의 양면에 전사하였다.After aligning the release film having the cathode catalyst layer and the release film having the anode catalyst layer formed on both sides of the polymer electrolyte membrane of Nafion, and then applying a temperature of 135 ° C. and a pressure of 55 kgf / cm 2 , the cathode and anode The catalyst layer for transfer was transferred to both sides of the polymer electrolyte membrane.

상기 촉매층이 전사된 고분자 전해질 막을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 단전지를 제조하였다.A single cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the catalyst layer was transferred to a polymer electrolyte membrane.

출력 밀도 측정Power density measurement

상기 실시예 1 내지 2의 단전지에 대하여 고분자 전해질 막과 접하는 제1촉매층 및 전극 기재와 접하는 제2촉매층의 기공도를 측정하였고, 실시예 1 내지 2의 단전지 및 비교예 1의 단전지에 대하여 전극의 기공도를 측정하여, 이를 하기 표 1에 나타내었다.The porosities of the first catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane and the second catalyst layer in contact with the electrode substrate were measured for the unit cells of Examples 1 to 2, and the unit cells of Examples 1 to 2 and the unit cells of Comparative Example 1 were measured. By measuring the porosity of the electrode, it is shown in Table 1 below.

또한, 실시예 1 내지 2, 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 단전지를 70℃로 유지한 상태에서 1M 메탄올과 공기(ambient air)를 stoichiometry(애노드에 메탄올 공급양/캐소드에 공기 공급양, 전기 화학 반응을 위한 이론치)= 3.0/3.0으로 유입 시키면 0.4 V의 작동전압에서 출력밀도를 측정하였다.In addition, while maintaining the unit cells prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 at 70 ° C., 1M methanol and ambient air were stoichiometry (the amount of methanol supplied to the anode / the amount of air supplied to the cathode, the electricity Theoretical value for the chemical reaction) = 3.0 / 3.0 and the power density was measured at the operating voltage of 0.4 V.

[표 1]TABLE 1

제1촉매층의 기공도 (부피%)Porosity of the first catalyst layer (% by volume) 제2촉매층의 기공도 (부피%)Porosity of Volume 2 (Volume%) 전극의 기공도 (부피%)Porosity of the electrode (% by volume) 출력 밀도 (mW/Cm2)Power density (mW / Cm 2 ) 실시예 1Example 1 4545 7070 6565 115115 실시예 2Example 2 4040 7070 6060 106106 비교예 1Comparative Example 1 -- -- 6565 100100 비교예 2Comparative Example 2 -- -- 4040 9595

표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 2는, 전사 공정에 의해 제1촉매층을 형성하고, 직접 코팅 공정에 의해 제2촉매층을 형성하며, 제1촉매층의 제2촉매층의 바인더의 함량을 상이하게 함에 따라, 제1촉매층 및 제2촉매층의 기공도가 상이함을 확인할 수 있었다. 또한, 기공도 및 바인더의 함량이 상이한 2개의 촉매층을 포함하는 실시예 1 내지 2의 단전지는 비교예 1 내지 2의 단전지에 비하여 우수한 출력 밀도를 나타냄을 확인할 수 있었다.Referring to Table 1, Examples 1 to 2 form the first catalyst layer by the transfer process, form the second catalyst layer by the direct coating process, and vary the content of the binder of the second catalyst layer of the first catalyst layer. As a result, it was confirmed that the porosities of the first catalyst layer and the second catalyst layer were different. In addition, it was confirmed that the unit cells of Examples 1 to 2 including two catalyst layers having different porosities and binder contents showed better output densities than those of Comparative Examples 1 to 2.

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 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 개략도이다.2 is a schematic view showing a structure of a fuel cell system according to another exemplary embodiment of the present invention.

Claims (19)

서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및An 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 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나는,At least one of the anode electrode and the cathode electrode, 전극 기재, 및 상기 전극 기재 위에 위치하며 촉매 및 바인더를 포함하는 적어도 2개의 촉매층을 포함하며,An electrode substrate, and at least two catalyst layers positioned on the electrode substrate and comprising a catalyst and a binder, 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1촉매층이 전극 기재와 접하는 제2촉매층 보다 적은 양의 바인더를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리. The membrane-electrode assembly of a fuel cell, wherein the first catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane comprises a smaller amount of binder than the second catalyst layer in contact with the electrode substrate. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1촉매층과 제2촉매층에 포함된 바인더의 함량비는 1 : 1.3 내지 1 : 4인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리. The content ratio of the binder contained in the first catalyst layer and the second catalyst layer is 1: 1.3 to 1: 4 for the fuel cell membrane electrode assembly. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1촉매층과 제2촉매층 사이에는 적어도 하나의 제3촉매층이 존재하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.At least one third catalyst layer is present between the first catalyst layer and the second catalyst layer, the fuel cell membrane electrode assembly. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1촉매층은 10 내지 40 ㎛의 두께를 갖는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The first catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly having a thickness of 10 to 40 ㎛. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2촉매층은 20 내지 50 ㎛의 두께를 갖는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The second catalyst layer is a membrane-electrode assembly for a fuel cell having a thickness of 20 to 50 ㎛. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1촉매층은 30 내지 70부피%의 기공도를 갖는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The first catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly having a porosity of 30 to 70% by volume. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2촉매층은 40 내지 80부피%의 기공도를 갖는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The second catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly having a porosity of 40 to 80% by volume. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 촉매는 백금계 촉매인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리. The catalyst is a membrane-electrode assembly for a fuel cell that is a platinum-based catalyst. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 바인더는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지인 것인 연료 전지용 막 -전극 어셈블리.The binder is a membrane-electrode assembly for a fuel cell is a polymer resin having a hydrogen ion conductivity. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 바인더는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기, 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환수지를 갖는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The binder has a cation exchange resin selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups, and derivatives thereof in the side chain. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전극 기재는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The electrode substrate may include a carbon film, a carbon cloth, a carbon felt, or a metal cloth (a porous film composed of a metal in a fibrous state or a metal film formed on a surface of a cloth formed of polymer fibers). Membrane electrode assembly for a fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막은 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.Wherein the polymer electrolyte membrane is a polymer resin having a hydrogen ion conductivity membrane-electrode assembly for a fuel cell. 이형필름의 일면에, 제1촉매층 형성용 조성물을 도포하여 제1촉매층을 형성하는 단계;Forming a first catalyst layer by coating a composition for forming a first catalyst layer on one surface of the release film; 상기 이형필름에 형성된 제1촉매층을 고분자 전해질 막에 전사하는 단계;Transferring the first catalyst layer formed on the release film to a polymer electrolyte membrane; 상기 고분자 전해질 막에 전사된 제1촉매층 위에, 제2촉매층 형성용 조성물을 직접 코팅하여 제2촉매층을 형성하는 단계; 및Forming a second catalyst layer by directly coating a composition for forming a second catalyst layer on the first catalyst layer transferred to the polymer electrolyte membrane; And 상기 제1촉매층 및 제2촉매층이 형성된 고분자 전해질 막을 전극 기재 사이에 위치시킨 후 결착하는 단계를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.And placing the polymer electrolyte membrane having the first catalyst layer and the second catalyst layer formed between the electrode substrates and then binding the polymer electrolyte membrane. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 제1촉매층 형성용 조성물은 제1촉매 및 제1바인더를 1 : 0.05 내지 1 : 0.15의 중량비로 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.The first catalyst layer-forming composition comprises a first catalyst and the first binder in a weight ratio of 1: 0.05 to 1: 0.15 of the manufacturing method of the fuel cell membrane-electrode assembly. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 제2촉매층 형성용 조성물은 제2촉매 및 제2바인더를 1 : 0.1 내지 1 : 0.2의 중량비로 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.The composition for forming the second catalyst layer comprises a second catalyst and the second binder in a weight ratio of 1: 0.1 to 1: 0.2. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 이형필름은 폴리테트라플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-핵사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체, 에틸렌/테트라플루오로에틸렌, 폴리 비닐리덴플루오라이드. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The release film is a polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-nucleus fluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer, ethylene / tetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride. A method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, which is selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, and combinations thereof. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 전사 단계는 80 내지 180℃의 온도에서 실시되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The transfer step is a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell that is carried out at a temperature of 80 to 180 ℃. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 전사 단계는 20 내지 70 kgf/cm2의 압력하에서 실시되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.The transfer step is a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell that is carried out under a pressure of 20 to 70 kgf / cm 2 . 제1항 내지 제12항 중에서 어느 한 항에 따른 막-전극 어셈블리, 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;13. A membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 12, and a separator located on both sides of the membrane-electrode assembly, at least one of generating electricity through an electrochemical reaction of a fuel and an oxidant. Electricity generating unit; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 A 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.
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