KR20100085300A - A method of forming catalyst layer for fuel cell, a membrane electrode assembly and a fuel cell having catalyst layer manufactured by the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지용 촉매층의 형성 방법, 그에 따라 제조된 촉매층을 구비한 막-전극 접합체 및 연료 전지에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 촉매층을 바이폴라 플레이트의 유로 패턴에 대응되는 부분의 전극기재 상에만 형성함으로써 촉매 재료의 소모량이 감소되고, 비용이 절감되며, 요구되는 연료전지의 형상에 무관하게 제조가 가능한 연료전지용 촉매층의 형성 방법, 그에 따라 제조된 촉매층을 구비한 막-전극 접합체 및 연료 전지에 관한 것이다. The present invention relates to a method of forming a catalyst layer for a fuel cell, a membrane-electrode assembly having a catalyst layer prepared accordingly, and a fuel cell. More specifically, the present invention reduces the consumption of the catalyst material by reducing the cost of the catalyst material by forming the catalyst layer only on the electrode substrate of the portion corresponding to the flow path pattern of the bipolar plate. A method of forming a catalyst layer for a fuel cell, a membrane-electrode assembly having a catalyst layer prepared accordingly, and a fuel cell are provided.
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. 이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.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. Among these, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), which is being developed recently, has superior output characteristics compared to other fuel cells, has a low operating temperature, fast start-up and response characteristics, and a mobile power source such as an automobile. Of course, it has a wide range of applications, such as distributed power supply for homes, public buildings and small power supply for electronic devices.
상술한 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키고 그 수소 기체를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키며, 스택에서 이 수소 기체와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.The above-described PEMFC basically includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to constitute a system. The stack forms the body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. The reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the hydrogen gas to the stack. Thus, the PEMFC supplies fuel in the fuel tank to the reformer by operation of a fuel pump, reforming the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacting the hydrogen gas and oxygen in a stack to generate electrical energy. Let's do it.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.On the other hand, the fuel cell may employ a direct methanol fuel cell (DMFC) method that can supply a liquid methanol fuel directly to the stack. Such a direct methanol fuel cell fuel cell, unlike the polymer electrolyte fuel cell, the reformer is excluded.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 분리판(Separator) 또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 접합체는 고분자 전해질막을 사이에 두고 양극(애노드) 전극과 음극(캐소드) 전극(이하 "전극"이라 함)이 접착된 구조를 가진다.In such a fuel cell system, a stack that substantially generates electricity includes several to several unit cells including a membrane electrode assembly (MEA) and a separator or a bipolar plate. It has a stacked structure of ten. The membrane-electrode assembly has a structure in which an anode (anode) electrode and a cathode (cathode) electrode (hereinafter referred to as "electrode") are bonded to each other with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween.
도 1a는 종래 기술에 따른 연료전지용 전극의 단면도를 도시한 도면이고, 도 1b는 종래 기술에 따른 종래 기술에 따른 막-전극 접합체를 포함한 연료전지를 개략적으로 도시한 도면이다.FIG. 1A is a cross-sectional view of a fuel cell electrode according to the prior art, and FIG. 1B schematically illustrates a fuel cell including a membrane-electrode assembly according to the prior art.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 막-전극 접합체(MEA)(10)는 양극 전극(100); 음극 전극(100'); 및 상기 양극 전극(100) 및 상기 음극 전극(100') 사이에 배치되는 고분자 전해질막(110)을 포함한다. 각각의 전극(100,100')은 전극 기재(101,101'); 및 상기 전극 기재(101,101') 상에 형성된 촉매층(105,105')으로 구성된 구조를 갖는다. 촉매층(105,105')은 전극기재(101,101')의 표면에 나노카본층과 상기 나노카본층에 증착 코팅된 촉매(예를 들어 백금 또는 루테늄-백금 합금)와 나피온 용액(Nafion Solution)을 코팅하여 얻어진다. 여기서, 상기 전극기재(101,101')는 전극(100,100')을 지지하는 지지체의 역할을 함과 동시에, 연료 및 산소기체를 촉매층에 전달해주는 통로역할을 하는 것으로, 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다. 탄소지 또는 탄소천으로 이루어진 전극기재(101,101') 내에 각각 양극 및 음극 가스 확산 매체(Gas Diffusion Media)를 주입하여 각각 양극 전극(100) 및 음극 전극(100')이 형성된다. 또한, 탄소지 또는 탄소천으로 이루어진 전극기재(101,101')를 통상 기체확산층(gas diffusion layer: GDL)으로 지칭되며(이하 "기체확산층"이라 함), 대략 10 내지 1000 ㎛의 두께를 갖는다. 상술한 종래 기술 및 도 1 및 도 2는 "연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전극용전극의 제조방법"이라는 발명의 명칭으로 2004년 6월 30일자로 10-2004-0050773호로 출원되어, 2006년 5월 4일자로 등록된 대한민국특허 제057877호에 개시되어 있다. 도 1b에 도시된 참조부호 120 및 120'는 각각 상술한 막-전극 접합체(MEA)(10)를 복수개 적층하기 위해 사용되는 분리판(separator) 또는 바이폴라 플레이트를 나타낸다.1A and 1B, the membrane-electrode assembly (MEA) 10 includes an
도 1c는 도 1b에 도시된 바이폴라 플레이트의 개략적인 사시도를 도시한 도면이고, 도 1d는 도 1c에 도시된 바이폴라 플레이트 상에 전극 기재 및 촉매층으로 구성된 전극의 개략적인 사시도를 도면이다.FIG. 1C is a schematic perspective view of the bipolar plate shown in FIG. 1B, and FIG. 1D is a schematic perspective view of an electrode composed of an electrode substrate and a catalyst layer on the bipolar plate shown in FIG. 1C.
도 1c 및 도 1d를 참조하면, 바이폴라 플레이트(120,120')에서는 입구 A에서 각각 산소 또는 수소가 유입되어 유로(122,122')를 따라 출구 B로 배출된다. 여기서, 산소 또는 수소의 유로(122,122')는 지그재그 형상으로 예시적으로 도시되어 있지만, 실제로는 다양한 형상(예를 들어, 원형의 나선 형상, 직사각형의 나선 형상, 또는 입구 A 및 출구 B 부근에서는 유로의 폭이 좁고, 중앙부분으로 갈수록 유로의 폭이 넓어지는 지그재그 형상 등)으로 구현될 수 있다.1C and 1D, in the
한편, 상술한 촉매층(105,105')은 도 1c에 도시된 유로(122,122')를 구비한 바이폴라 플레이트(120,120')에 대응하여 탄소지 또는 탄소천으로 이루어진 전극기재(101,101') 상에 형성된다. 이를 위해, 종래 기술에서는 통상적으로 전극기재(101,101') 상에 촉매층(105,105')을 형성하기 위해 슬릿다이(미도시)를 이용한 전면 도포 방식이 사용되고 있었다. 이러한 슬릿다이 및 이를 이용한 전면 도포 방식은 본 출원인에 의해 2007년 8월 20일자로 "패턴 형성용 인쇄 롤 장치 및 이를 구비한 인쇄 장치"라는 발명의 명칭으로 대한민국 특허출원 제 2007-0083382호로 출원되어 2008년 8월 31일자로 등록된 대한민국 특허 제 0853218호에 상세히 기술되어 있다.Meanwhile, the
그러나, 종래 기술에 따른 슬릿다이를 이용한 전면 도포 방식을 사용하는 경우, 촉매층(105,105')이 전극기재(101,101') 상에 전면이 도포되므로, 바이폴라 플레이트(120,120')의 유로(122,122')와 유로(122,122') 사이의 공간(124,124')에 대응하는 전극기재(101,101') 상의 부분(이하에서는 '데드 스페이스(dead space)'라 함)에도 촉매층(105,105')이 불필요하게 도포된다. 그에 따라, 촉매층(105,105')의 재료가 낭비되고 비용이 증가한다는 문제가 발생한다. 특히, 촉매층이 고가의 백금 촉매를 함유하고 있으므로 비용 증가가 더욱 커진다는 문제가 발생한다.However, when the entire surface coating method using the slit die according to the prior art is used, since the entire surface is coated on the
또한, 유로(122,122')가 산소 또는 수소 기체 통과시에 방향 전환에 따른 마찰력 등을 줄이기 위해 예를 들어 원형의 나선 형상을 갖는 경우, 슬릿다이를 이용한 전면 도포 방식에서는 촉매층(105,105')이 항상 사각형 형상으로만 도포되므로 상술한 데드 스페이스가 더욱 더 커지는 문제가 발생한다.In addition, when the flow paths 122 and 122 'have a circular spiral shape, for example, in order to reduce the frictional force due to the change of direction when passing oxygen or hydrogen gas, the
아울러, 통상적으로 연료전지는 직방체 형상을 갖는 것이 일반적이며, 원통형 형상도 가능하다. 그러나, 경우에 따라 직방체 이외의 형상(예를 들어, 직방체의 한쪽 면만이 둥글거나 또는 직방체의 상하 부분 형상이 상이한 경우 등)이 요구될 수 있다. 이 경우, 상술한 전면 도포 방식의 종래 기술은 이러한 다양한 연료전지의 형상을 구현하는 것이 매우 어렵다. 그 결과, 연료전지의 사용이 요구되는 응용 분야가 매우 제한적이다.In addition, the fuel cell generally has a rectangular parallelepiped shape, and a cylindrical shape is also possible. However, in some cases, shapes other than the rectangular parallelepiped (for example, only one side of the rectangular parallelepiped or the shape of the upper and lower portions of the rectangular parallelepiped may be required). In this case, the above-described prior art of the front coating method is very difficult to implement the shape of the various fuel cells . As a result, applications requiring the use of fuel cells are very limited.
따라서, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 새로운 방안이 요구된다. Therefore, a new method for solving the above-mentioned problems of the prior art is required.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 촉매층을 바이폴라 플레이트의 유로 패턴에 대응되는 부분의 전극기재 상에만 형성함으로써 촉매 재료의 소모량이 감소되고, 비용이 절감되며, 요구되는 연료전지의 형상에 무관하게 제조가 가능한 연료전지용 촉매층의 형성 방법, 그에 따라 제조된 촉매층을 구비한 막-전극 접합체 및 연료 전지를 제공하기 위한 것이다. The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, by forming the catalyst layer only on the electrode substrate of the portion corresponding to the flow path pattern of the bipolar plate, the consumption of the catalyst material is reduced, the cost is reduced, the required fuel cell It is to provide a method for forming a catalyst layer for a fuel cell that can be produced irrespective of the shape, a membrane-electrode assembly with a catalyst layer prepared accordingly, and a fuel cell.
본 발명의 제 1 특징에 따르면, 연료전지용 촉매층의 형성 방법에 있어서, a) 전극 기재를 준비하는 단계; 및 b) 상기 전극 기재 상에 바이폴라 플레이트에 형성된 유로에 대응되는 위치에만 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 촉매층 형성 방법을 특징으로 하고 있다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of forming a catalyst layer for a fuel cell, the method comprising: a) preparing an electrode substrate; And b) forming a catalyst layer only at a position corresponding to a flow path formed in the bipolar plate on the electrode substrate.
본 발명의 제 2 특징에 따르면, 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)에 있어서, 양극 전극; 음극 전극; 및 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 사이에 배치되는 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 양극 전극은 양극 전극 기재; 및 상기 양극 전극 기재 상에 형성된 제 1 촉매층을 포함하며, 상기 음극 전극은 음극 전극 기재; 및 상기 음극 전극 기재 상에 형성된 제 2 촉매층을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 촉매층은 각각 제 1 및 제 2 바이폴라 플레이트에 형성된 제 1 및 제 2 유로에 대응되는 위치에만 형성되는 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)를 특징으로 하고 있다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel cell membrane-electrode assembly (MEA), comprising: an anode electrode; Cathode electrode; And a polymer electrolyte membrane disposed between the anode electrode and the cathode electrode, wherein the anode electrode is a cathode electrode substrate; And a first catalyst layer formed on the cathode electrode substrate, wherein the cathode electrode is a cathode electrode substrate; And a second catalyst layer formed on the cathode electrode substrate, wherein the first and second catalyst layers are formed only at positions corresponding to the first and second flow paths formed on the first and second bipolar plates, respectively. An electrode assembly (MEA) is featured.
본 발명의 제 3 특징에 따르면, 연료전지에 있어서, 복수개의 막-전극 접합체(MEA); 및 상기 복수개의 막-전극 접합체(MEA)를 적층하기 위해 사용되는 복수개 의 바이폴라 플레이트를 포함하고, 상기 복수개의 막-전극 접합체(MEA)는 각각 양극 전극; 음극 전극; 및 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 사이에 배치되는 고분자 전해질막을 포함하며, 상기 양극 전극은 양극 전극 기재; 및 상기 양극 전극 기재 상에 형성된 제 1 촉매층을 포함하고, 상기 음극 전극은 음극 전극 기재; 및 상기 음극 전극 기재 상에 형성된 제 2 촉매층을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 촉매층은 각각 제 1 및 제 2 바이폴라 플레이트에 형성된 제 1 및 제 2 유로에 대응되는 위치에만 형성되는 연료전지를 특징으로 하고 있다. According to a third aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising: a plurality of membrane-electrode assemblies (MEAs); And a plurality of bipolar plates used to stack the plurality of membrane-electrode assemblies (MEA), each of the plurality of membrane-electrode assemblies (MEA) comprising an anode electrode; Cathode electrode; And a polymer electrolyte membrane disposed between the anode electrode and the cathode electrode, wherein the anode electrode is a cathode electrode substrate; And a first catalyst layer formed on the cathode electrode substrate, wherein the cathode electrode is a cathode electrode substrate; And a second catalyst layer formed on the cathode electrode substrate, wherein the first and second catalyst layers are formed only at positions corresponding to the first and second flow paths formed on the first and second bipolar plates, respectively. I am doing it.
본 발명에 따른 연료전지용 촉매층의 형성 방법, 그에 따라 제조된 촉매층을 구비한 막-전극 접합체 및 연료 전지에서는 다음과 같은 장점이 달성된다.In the method for forming a catalyst layer for a fuel cell according to the present invention, a membrane-electrode assembly with a catalyst layer prepared according to the present invention, and a fuel cell, the following advantages are achieved.
1. 촉매층이 데드 스페이스 상에는 형성되지 않으므로 촉매층의 재료 및 비용이 현저하게 절감된다. 또한, 고가의 백금 촉매가 사용되는 경우 비용 절감 효과가 상당히 크다는 장점이 달성된다.1. Since the catalyst layer is not formed on the dead space, the material and cost of the catalyst layer are significantly reduced. In addition, an advantage is achieved that the cost savings effect is very large when expensive platinum catalysts are used.
2. 유로의 형상과 무관하게 촉매층의 형성이 가능하다.2. The catalyst layer can be formed regardless of the shape of the flow path.
3. 연료전지를 원하는 형상으로 제조하는 것이 가능하므로, 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다. 3. It is possible to manufacture fuel cell in desired shape, so it can be applied to various applications.
본 발명의 추가적인 장점은 동일 또는 유사한 참조번호가 동일한 구성요소를 표시하는 첨부 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 명백히 이해될 수 있다. Further advantages of the present invention can be clearly understood from the following description with reference to the accompanying drawings, in which like or similar reference numerals denote like elements.
이하에서 본 발명의 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 기술한한 다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments and drawings of the present invention.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매층의 형성 방법을 도시한 플로우차트이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매층의 형성 방법에 따라 제조된 촉매층을 구비한 전극을 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 2c는 도 2b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매층의 형성 방법에 따라 제조된 촉매층을 구비한 전극의 단면도이다.FIG. 2A is a flowchart illustrating a method of forming a catalyst layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is manufactured according to the method for forming a catalyst layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 2A. FIG. 2C is a perspective view schematically illustrating an electrode having a catalyst layer, and FIG. 2C is a cross-sectional view of an electrode having a catalyst layer manufactured according to a method of forming a catalyst layer for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 2B.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매층의 형성 방법(200)은 전극 기재(201,201')를 준비하는 단계(210); 및 상기 전극 기재(201,201') 상에 바이폴라 플레이트(220,220')에 형성된 유로(222,222')에 대응되는 위치에만 촉매층(205,205')을 형성하는 단계(220)를 포함한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매층의 형성 방법(200)에서는 촉매층(205,205')이 바이폴라 플레이트(220,220') 상의 데드 스페이스(224,224')에 대응되는 위치에는 형성되지 않는다.2A to 2C, a
상술한 전극 기재(201,201') 상에 바이폴라 플레이트(220,220')에 형성된 유로(222,222')에 대응되는 위치에만 촉매층(205,205')을 형성하는 단계(220)를 수행하기 위해서는, 슬릿다이를 사용하는 종래 기술과는 달리 잉크젯 프린팅 장치(미도시)를 사용한다. 이러한 잉크젯 프린팅 장치는 예를 들어 본 출원인에 의해 "잉크젯 프린팅 장치용 헤드의 클리닝 장치, 및 이를 구비한 잉크젯 프린팅 장치용 헤드 및 잉크젯 프린팅 장치"라는 발명의 명칭으로 2008년 2월 25일자로 출원된 대한민국 특허출원 제 10-2008-0016795호에 상세히 기술되어 있다. 잉크젯 프린팅 장치 자체는 공지 기술이지만, 이러한 잉크젯 프린팅 장치를 사용하면 촉매층(205,205')이 전극 기재(201,201') 상에 바이폴라 플레이트(220,220')에 형성된 유로(222,222')에 대응되는 위치에만 형성되고, 반면에 데드 스페이스(224,224')에 대응되는 위치에는 형성되지 않도록 하는 것이 가능하다. In order to perform the
또한, 바이폴라 플레이트(220,220')에 형성된 유로(222,222')는 통상적인 지그재그 형상은 경우는 물론 원형의 나선 형상, 직사각형의 나선 형상, 또는 입구 및 출구 부근에서는 유로의 폭이 좁고, 중앙부분으로 갈수록 유로의 폭이 넓어지는 지그재그 형상 등의 임의의 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매층의 형성 방법(200)에 사용되는 잉크젯 프린팅 장치가 임의 형상의 유로(222,222')에 대응되는 촉매층(205,205') 패턴만을 형성하도록 잉크를 분사하도록 미리 프로그램을 설정할 수 있다. 이러한 방식으로 유로(222,222')가 임의의 형상을 갖더라도 촉매층(205,205')이 항상 유로(222,222')에 대응되는 위치에만 형성되고, 또한 데드 스페이스(224,224')에 대응되는 위치에는 형성되지 않도록 촉매층(205,205')이 전극 기재(201,201') 상에 형성하는 것이 가능하다.In addition, the flow paths 222 and 222 'formed in the
한편, 본 발명에 따른 막-전극 접합체(MEA)는 도 2b 또는 도 2c에 도시된 촉매층(205,205')을 제외하고는 도 1a 및 도 1b에 도시된 종래 기술에 따른 막-전극 접합체(MEA)(10)와 실질적으로 동일하다.Meanwhile, the membrane-electrode assembly (MEA) according to the present invention is a membrane-electrode assembly (MEA) according to the prior art shown in FIGS. 1A and 1B except for the catalyst layers 205 and 205 'shown in FIG. 2B or 2C. It is substantially the same as (10).
좀 더 구체적으로, 도 1a, 도 1b, 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 본 발명에 따른 막-전극 접합체(MEA)는 양극 전극(100); 음극 전극(100'); 및 상기 양극 전극(100) 및 상기 음극 전극(100') 사이에 배치되는 고분자 전해질막(110)을 포함하 고, 상기 양극 전극(100)은 양극 전극 기재(201); 및 상기 양극 전극 기재(201) 상에 형성된 제 1 촉매층(205)을 포함하며, 상기 음극 전극(100')은 음극 전극 기재(201'); 및 상기 음극 전극 기재(201') 상에 형성된 제 2 촉매층(205')을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 촉매층(205,205')은 각각 제 1 및 제 2 바이폴라 플레이트(220,220')에 형성된 제 1 및 제 2 유로(222,222')에 대응되는 위치에만 형성되는 것을 특징으로 한다.More specifically, referring to FIGS. 1A, 1B, 2B, and 2C, a membrane-electrode assembly (MEA) according to the present invention may include an
또한, 본 발명에 따른 연료전지는 복수개의 막-전극 접합체(MEA); 및 상기 복수개의 막-전극 접합체(MEA)를 적층하기 위해 사용되는 복수개의 바이폴라 플레이트를 포함한다. 여기서, 복수개의 막-전극 접합체(MEA)는 각각 양극 전극(100); 음극 전극(100'); 및 상기 양극 전극(100) 및 상기 음극 전극(100') 사이에 배치되는 고분자 전해질막(110)을 포함하고, 상기 양극 전극(100)은 양극 전극 기재(201); 및 상기 양극 전극 기재(201) 상에 형성된 제 1 촉매층(205)을 포함하며, 상기 음극 전극(100')은 음극 전극 기재(201'); 및 상기 음극 전극 기재(201') 상에 형성된 제 2 촉매층(205')을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 촉매층(205,205')은 각각 제 1 및 제 2 바이폴라 플레이트(220,220')에 형성된 제 1 및 제 2 유로(222,222')에 대응되는 위치에만 형성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the fuel cell according to the present invention comprises a plurality of membrane-electrode assemblies (MEA); And a plurality of bipolar plates used to stack the plurality of membrane-electrode assemblies (MEAs). Here, each of the plurality of membrane-electrode assemblies MEA includes an
상술한 본 발명에 따른 막-전극 접합체(MEA) 및 연료전지에 사용되는 제 1 및 제 2 촉매층(205,205')은 각각 잉크젯 프린팅 장치에 의해 형성된다.The first and second catalyst layers 205 and 205 'used in the membrane-electrode assembly (MEA) and the fuel cell according to the present invention described above are formed by an inkjet printing apparatus, respectively.
한편, 본 발명의 촉매층(205,205')에 사용되는 촉매로는 예를 들어 종래 기술의 백금 또는 루테늄-백금 합금 이외에도 팔라듐이나 전도성 잉크 등이 사용될 수 있다.On the other hand, the catalyst used in the catalyst layers 205, 205 'of the present invention, for example, in addition to the platinum or ruthenium-platinum alloy of the prior art Palladium or conductive ink may be used.
상술한 본 발명에 따른 연료전지용 촉매층의 형성 방법, 그에 따라 제조된 촉매층을 구비한 막-전극 접합체 및 연료 전지를 사용하면, 촉매층의 재료 및 비용이 현저하게 절감되고, 유로의 형상과 무관하게 촉매층의 형성이 가능하며, 연료전지가 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다. Using the above-described method of forming a catalyst layer for a fuel cell according to the present invention, a membrane-electrode assembly with a catalyst layer and a fuel cell prepared according to the present invention, the material and cost of the catalyst layer are significantly reduced, and the catalyst layer is independent of the shape of the flow path. Can be formed and the fuel cell can be applied to various applications.
다양한 변형예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술되고 예시된 구성 및 방법으로 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.Various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims. It is not. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the above-described exemplary embodiments, but should be defined only in accordance with the following claims and their equivalents.
도 1a는 종래 기술에 따른 연료전지용 전극의 단면도를 도시한 도면이다.1A is a cross-sectional view of a fuel cell electrode according to the prior art.
도 1b는 종래 기술에 따른 막-전극 접합체를 포함한 연료전지를 개략적으로 도시한 도면이다.1B is a schematic view of a fuel cell including a membrane-electrode assembly according to the prior art.
도 1c는 도 1b에 도시된 바이폴라 플레이트의 개략적인 사시도를 도시한 도면이다.FIG. 1C is a schematic perspective view of the bipolar plate shown in FIG. 1B.
도 1d는 도 1c에 도시된 바이폴라 플레이트 상에 전극 기재 및 촉매층으로 구성된 전극의 개략적인 사시도를 도면이다. FIG. 1D is a schematic perspective view of an electrode composed of an electrode substrate and a catalyst layer on the bipolar plate shown in FIG. 1C.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매층의 형성 방법을 도시한 플로우차트이다.2A is a flowchart illustrating a method of forming a catalyst layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 2b는 도 2a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매층의 형성 방법에 따라 제조된 촉매층을 구비한 전극을 개략적으로 도시한 사시도이다.FIG. 2B is a perspective view schematically illustrating an electrode having a catalyst layer manufactured according to a method of forming a catalyst layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention illustrated in FIG. 2A.
도 2c는 도 2b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매층의 형성 방법에 따라 제조된 촉매층을 구비한 전극의 단면도이다.FIG. 2C is a cross-sectional view of an electrode having a catalyst layer manufactured according to a method of forming a catalyst layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 2B.
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