KR20120089179A - Electrode for fuel cell, and membrane electrode assembly and fuel cell including the same - Google Patents

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김태영
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Abstract

PURPOSE: An electrode for fuel cells, a membrane electrode assembly including the same and a fuel battery are provided to prevent outflow of phosphoric acid which is moving from a catalyst layer to a diffusion layer, thereby enhancing lifetime of the membrane electrode assembly. CONSTITUTION: An electrode for fuel cells(10) comprises a supporter(11) and a diffusion layer(13) which includes a micro pore layer(12) arranged in the supporter, a catalyst layer(14) which is arranged in order to face the micro pore layer, and a barrier layer(15) which is placed between the catalyst layer and the micro pore layer. The barrier layer has bigger average pore size than the average pore size of the micro pore layer and the catalyst layer. The membrane electrode assembly comprises a cathode, an anode which faces with the cathode, and a polymer electrolyte membrane(20) arranged between the cathode and the anode. One or more of the cathode and anode include the electrode.

Description

연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막전극 접합체와 연료전지{Electrode for fuel cell, and membrane electrode assembly and fuel cell including the same}Electrode for fuel cell, membrane electrode assembly and fuel cell comprising same {Electrode for fuel cell, and membrane electrode assembly and fuel cell including the same}

연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막전극 접합체와 연료전지가 제시된다.An electrode for a fuel cell, a membrane electrode assembly including the same, and a fuel cell are provided.

대체에너지 중 하나로 관심의 대상이 되고 있는 연료전지는 사용되는 전해질 및 사용되는 연료의 종류에 따라 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC), 인산 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등으로 구분될 수 있다. Fuel cells that are of interest as alternative energy are polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) and direct methanol fuel cells (DMFC), depending on the electrolyte used and the type of fuel used. ), Phosphate fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuel cells (SOFC) and the like.

상기 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC) 가운데 100℃ 이상의 고온(예컨대, 150~180℃) 및 무가습 조건에서 작동하는 PEMFC는, 가습장치를 사용하지 않고, 물이 증기로 존재하여 저온에서 작동하는 PEMFC에 비하여 물의 배출이 용이하게 이루어지기 때문에 물관리 등의 제어가 간단하고 시스템의 신뢰성이 높은 것으로 알려져 있다.Among the polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), the PEMFC operating at a high temperature of 100 ° C. or higher (eg, 150 ° C. to 180 ° C.) and a non-humidifying condition does not use a humidifier, and PEMFC operates at low temperature because water exists as a vapor. Compared with the water discharge, the water management is easy and the control of the water is easy.

현재, 고온 무가습 PEMFC의 막전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly: MEA)로서 산도핑계 MEA가 상용화되어 있고, 비산도핑(non-acid doping)계 MEA는 아직 상용화되지 않고 연구가 진행되고 있는 수준이다.Currently, acid-doped MEAs are commercialized as membrane-electrode assemblies (MEAs) of high-temperature, non-humidified PEMFCs, and non-acid doping-based MEAs have not been commercialized and are being studied.

산도핑계 중 인산도핑계 MEA를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 경우, 전해질막으로부터 전극으로 들어온 인산이 전극 내에서 중요한 수소이온 전도체로 작용한다. 연료전지가 운전하는 동안 운전조건에 의해 전극내의 인산분포와 양은 끊임없이 변하게 되는데, 예를 들어 공기극에서 발생하는 물은 인산의 농도를 변화시킨다. 전극 내에서의 인산의 양 및 분포 변화는 촉매 이용률을 변화시켜 전지의 성능에 영향을 미치며, 기동 정지가 반복되면서 운전시 발생한 수분이 저온에서 응결하여 인산의 농도를 낮추게 되면 인산 유출이 촉진된다. 연료전지의 운전시 인산 유출이 과다해지면, 막의 저항이 높아지고 촉매/전도체 접촉 면적이 줄어들면서 촉매층의 반응성이 낮아진다. 확산층의 발수성으로 인산 유출이 어느 정도 조정되기는 하지만, 모세관 현상으로 촉매층에서 확산층으로 이동하는 인산 이동을 방지하지는 못한다. 결과적으로 이러한 상황은 셀의 성능을 낮추고 수명특성 또한 악화시킨다.In the case of a polymer electrolyte membrane fuel cell using a phosphate-doped MEA in an acid doping system, phosphoric acid introduced into the electrode from the electrolyte membrane serves as an important hydrogen ion conductor in the electrode. During operation of the fuel cell, the distribution and amount of phosphate in the electrode are constantly changed by the operating conditions. For example, water generated in the cathode changes the concentration of phosphoric acid. The change in the amount and distribution of phosphoric acid in the electrode affects the performance of the battery by changing the catalyst utilization rate, and the phosphate outflow is promoted when the moisture generated during operation condenses at low temperatures and lowers the concentration of phosphoric acid as the start and stop are repeated. Excessive phosphoric acid outflow during operation of the fuel cell increases the membrane resistance and reduces the catalyst / conductor contact area, resulting in lower reactivity of the catalyst layer. Although the phosphate outflow is controlled to some extent due to the water repellency of the diffusion layer, the capillary phenomenon does not prevent the phosphate migration from the catalyst layer to the diffusion layer. As a result, this situation degrades the cell's performance and degrades its lifetime.

본 발명의 일 측면은 연료전지의 운전시 인산의 유출을 감소시킬 수 있는 연료전지용 전극을 제공하는 것이다. One aspect of the present invention is to provide an electrode for a fuel cell that can reduce the outflow of phosphoric acid during operation of the fuel cell.

본 발명의 다른 측면은 상기 연료전지용 전극을 포함하는 막전극 접합체를 제공하는 것이다. Another aspect of the present invention is to provide a membrane electrode assembly including the fuel cell electrode.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다. Another aspect of the present invention is to provide a fuel cell including the membrane electrode assembly.

본 발명의 일 측면에 따르면, According to one aspect of the invention,

지지체 및 상기 지지체에 배치된 미세기공층을 포함하는 확산층; A diffusion layer comprising a support and a microporous layer disposed on the support;

상기 미세기공층에 대향하도록 배치되는 촉매층; 및A catalyst layer disposed to face the microporous layer; And

상기 촉매층 및 미세기공층의 사이에 배치되는 배리어층을 포함하고,A barrier layer disposed between the catalyst layer and the microporous layer,

상기 배리어층은 평균 기공 크기가 상기 촉매층 및 미세기공층의 평균 기공 크기보다 큰 연료전지용 전극이 제공한다. The barrier layer is provided by a fuel cell electrode having an average pore size larger than the average pore size of the catalyst layer and the microporous layer.

상기 배리어층은 기공의 최대 크기(max size)가 50μm 이하일 수 있다. The barrier layer may have a maximum size of pores of 50 μm or less.

상기 배리어층은 기공의 최소 크기(min size)가 1nm 이상일 수 있다. The barrier layer may have a minimum size of pores (min size) of 1 nm or more.

상기 배리어층의 평균 기공 크기가 25μm 이하일 수 있다.The average pore size of the barrier layer may be 25 μm or less.

상기 배리어층의 평균 기공 크기가 10μm 이하일 수 있다. The average pore size of the barrier layer may be 10 μm or less.

상기 배리어층의 평균 기공 크기는 예를 들어 200nm 내지 5μm일 수 있다.The average pore size of the barrier layer may be, for example, 200nm to 5μm.

상기 배리어층은 도전성을 갖는, 탄소계 재료, 금속 재료, 고분자 재료 및 세라믹 재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 탄소계 재료는 카본 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 화이퍼, 플러렌, 카본 나노튜브, 카본 나노와이어, 카본 나노혼 및 카본 나노링으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. The barrier layer may be made of at least one material selected from the group consisting of conductive carbon-based materials, metal materials, polymer materials, and ceramic materials. Here, the carbon-based material includes at least one selected from the group consisting of carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nanohorn and carbon nanoring can do.

상기 배리어층은 입자상 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 입자상 물질의 입경이 0.1 내지 50 μm일 수 있다.The barrier layer may include a particulate material. Here, the particle size of the particulate matter may be 0.1 to 50 μm.

상기 배리어층은 금속 메쉬 및 발포 금속 중 적어도 하나의 금속 다공질체를 포함할 수 있다. The barrier layer may include at least one metal porous body of a metal mesh and a foamed metal.

상기 배리어층은 발수성 재료를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 발수성 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불소화된 에틸렌 프로필렌(FEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), PFA(perfluoroalkoxy), 2,2-비스트리플루오로메틸-4,5-디플루오로-1,3-디옥솔 테트라플루오로에틸렌 코폴리머, 및 술폰화된 테트라플루오로에틸렌계 플루오로폴리머-코폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. The barrier layer may further comprise a water repellent material. Wherein the water repellent material is polytetrafluoroethylene (PTFE), fluorinated ethylene propylene (FEP), polyvinylidene fluoride (PVdF), perfluoroalkoxy (PFA), 2,2-bistrifluoromethyl-4,5 At least one selected from the group consisting of: -difluoro-1,3-diosol tetrafluoroethylene copolymer, and sulfonated tetrafluoroethylene-based fluoropolymer-copolymer.

상기 배리어층에 촉매 금속이 더 담지될 수 있다. 여기서, 상기 촉매 금속은 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 그 혼합물 및 그 합금으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. A catalytic metal may be further loaded on the barrier layer. Here, the catalyst metal is platinum (Pt), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir) , Copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), tin (Sn), titanium (Ti), chromium (Cr), mixtures thereof and alloys thereof.

상기 배리어층은 복수의 다공성 매트릭스가 적층된 다층구조를 가질 수 있다. 여기서, 상기 적층된 각각의 다공성 매트릭스는 평균 기공 크기가 서로 다를 수 있다. The barrier layer may have a multilayer structure in which a plurality of porous matrices are stacked. Here, each of the stacked porous matrices may have a different average pore size.

상기 배리어층은 두께가 5 내지 50μm일 수 있다. The barrier layer may have a thickness of 5 to 50 μm.

상기 배리어층은 상기 촉매층에서 상기 확산층으로의 인산의 유출을 억제할 수 있다. The barrier layer may suppress the outflow of phosphoric acid from the catalyst layer to the diffusion layer.

본 발명의 다른 측면에 따르면, According to another aspect of the present invention,

캐소드; Cathode;

상기 캐소드에 대향하여 배치되는 애노드; 및 An anode disposed opposite the cathode; And

상기 캐소드와 애노드 사이에 배치되는 고분자 전해질막을 포함하고, It includes a polymer electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode,

상기 캐소드와 애노드 중 적어도 하나가 상기 전극을 포함하는 연료전지용 막전극 접합체가 제공된다. A membrane electrode assembly for a fuel cell is provided wherein at least one of the cathode and the anode comprises the electrode.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지가 제공된다.According to another aspect of the invention, there is provided a fuel cell comprising the membrane electrode assembly.

상기 연료전지용 전극은 촉매층 및 미세기공층 사이에 이들보다 평균 기공 크기가 큰 배리어층을 포함함으로써, 촉매층에서 확산층으로 이동하는 인산의 유출을 감소시키며 막전극 접합체의 수명을 향상시킬 수 있다.The fuel cell electrode includes a barrier layer having a larger average pore size between the catalyst layer and the microporous layer, thereby reducing the outflow of phosphoric acid from the catalyst layer to the diffusion layer and improving the life of the membrane electrode assembly.

도 1은 일 구현예에 따른 연료전지용 전극의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 연료전지용 전극의 단면구조를 확대한 것으로, 확산층으로의 인산 유출이 억제되는 원리를 나타낸 것이다.
도 3은 다른 구현예에 따른 연료전지용 전극의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 또 다른 구현예에 따른 연료전지용 전극의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1-4 및 비교예 1-2의 연료전지에 사용된 지지체, 미세기공층(MPL), 촉매층, 배리어층, 및 촉매금속 담지된 배리어층 각각의 누적 기공 체적 분포를 측정한 결과이다.
도 6은 비교예 1 및 실시예 1의 연료전지 단위셀에 대하여, 80℃에서 3주 보관한 다음 인산량을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 비교예 2 및 실시예 2 내지 4의 연료전지에 대하여, DSS(Daily Stop Start: 일일기동정지) 운전에 따른 전압을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8은 비교예 2 및 실시예 2의 연료전지에 대하여, DSS(Daily Stop Start: 일일기동정지) 운전을 실시한 후, MEA에 잔존하는 인산량을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of an electrode for a fuel cell according to an embodiment.
2 is an enlarged cross-sectional structure of an electrode for a fuel cell according to an exemplary embodiment, and illustrates a principle of suppressing phosphoric acid outflow to a diffusion layer.
3 schematically illustrates a structure of an electrode for a fuel cell according to another embodiment.
4 schematically shows the structure of an electrode for a fuel cell according to another embodiment.
5 shows the cumulative pore volume distribution of each of the support, the microporous layer (MPL), the catalyst layer, the barrier layer, and the catalyst metal-supported barrier layer used in the fuel cells of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-2. The result is.
6 is a graph showing the results of measuring the amount of phosphoric acid after storing the fuel cell unit cells of Comparative Example 1 and Example 1 at 80 ° C. for three weeks.
FIG. 7 is a graph showing results of measuring voltages according to DSS (Daily Start Start) operation for the fuel cells of Comparative Examples 2 and 2 to 4. FIG.
FIG. 8 is a graph showing the results of measuring the amount of phosphoric acid remaining in the MEA after the DSS (Daily Start Start) operation is performed on the fuel cells of Comparative Examples 2 and 2. FIG.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, specific embodiment of this invention is described in detail.

본 발명의 일 측면에 따른 연료전지용 전극은, An electrode for a fuel cell according to an aspect of the present invention,

지지체 및 상기 지지체에 배치된 미세기공층을 포함하는 확산층; A diffusion layer comprising a support and a microporous layer disposed on the support;

상기 미세기공층에 대향하도록 배치되는 촉매층; 및A catalyst layer disposed to face the microporous layer; And

상기 촉매층 및 미세기공층의 사이에 배치되는 배리어층을 포함하고,A barrier layer disposed between the catalyst layer and the microporous layer,

상기 배리어층은 평균 기공 크기가 상기 촉매층 및 미세기공층이 갖는 기공 크기보다 크다.The barrier layer has an average pore size larger than that of the catalyst layer and the microporous layer.

여기서, "평균 기공 크기"란, 전체부피를 100%로 하여 기공 분포의 누적곡선을 구할 때 이 누적 곡선에서 부피 백분율 50%에 이르는 점의 기공 크기로서, 기공이 작은 쪽 또는 큰 쪽부터 누적하여 체적이 50%가 되는 곳에서의 기공 크기 (이하, "D50"이라 함)를 의미한다. Here, the "average pore size" is the pore size of the point reaching a volume percentage of 50% in this cumulative curve when the cumulative curve of the pore distribution is obtained with 100% of the total volume. Pore size (hereinafter referred to as “D 50 ”) at a volume of 50%.

평균 기공 크기는 일반적으로 알려진 다양한 방법으로 측정할 수 있으며, 예를 들어, 광학현미경이나 전자현미경법, X선 산란법(X-ray scattering), 기체흡착법(gas-adsorption), 수은투입법(mercury intrusion), 액체유출법(liquid extrusion), 분획분자량법(Molecular Weight Cut Off Method), 유체투과법(Fluid Displacement Method), 펄스 NMR을 이용한 측정법 등의 측정방법을 통하여 기공 체적 분포의 누적 곡선을 얻을 수 있으며, 체적 분포의 누적 빈도가 50%인 지점에서 평균 기공 크기 D50을 확인할 수 있다. The average pore size can be measured by a variety of commonly known methods, for example optical microscopy, electron microscopy, X-ray scattering, gas-adsorption, mercury Cumulative curves of pore volume distribution can be obtained by measuring methods such as intrusion, liquid extrusion, molecular weight cut off method, fluid displacement method, and pulse NMR. At the point where the cumulative frequency of the volume distribution is 50%, the average pore size D 50 can be identified.

일반적으로 인산이 도핑된 전해질막을 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 경우, 전해질막으로부터 전극으로 들어온 인산이 전극 내에서 중요한 수소이온 전도체로 작용한다. 그러나, 연료전지의 기동 정지가 반복됨에 따라 인산 유출이 촉진될 수 있으며, 연료전지 운전시 인산 유출이 과다하게 일어나면, 막의 저항이 높아지고 촉매/전도체 접촉 면적이 줄어들면서 촉매층의 반응성이 낮아질 수 있다. 또한, 확산층으로 과다 유출된 인산이 확산층의 기공을 막아 연료가 촉매층으로 이동되지 않는 플로딩(flooding) 현상이 일어날 수 있다.In general, in a polymer electrolyte membrane fuel cell using an electrolyte membrane doped with phosphoric acid, phosphoric acid introduced into the electrode from the electrolyte membrane serves as an important hydrogen ion conductor in the electrode. However, as the start and stop of the fuel cell is repeated, the phosphoric acid outflow may be promoted. When the phosphoric acid outflow occurs excessively during operation of the fuel cell, the resistance of the catalyst layer may be lowered as the membrane resistance increases and the catalyst / conductor contact area decreases. In addition, a phenomenon in which the phosphoric acid excessively leaked into the diffusion layer blocks pores of the diffusion layer and thus fuel does not move to the catalyst layer may occur.

그러나, 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지용 전극은 촉매층과 확산층 사이에 인산의 유출을 억제할 수 있는 배리어층을 형성함으로써 촉매층에서 확산층으로의 인산 유출을 억제할 수 있다. 상기 연료전지용 전극은 촉매층과 확산층 사이에 이들보다 평균 기공 크기가 큰 배리어층을 포함하며, 촉매층에서 확산층으로 이동하려는 인산이 배리어층에서 갑작스런 모세관력(capillary force)의 감소로 인하여 배리어층을 빠져나가지 못하기 때문에 확산층으로 이동하는 인산의 양을 감소시킬 수가 있다. However, the fuel cell electrode according to an aspect of the present invention can suppress the outflow of phosphoric acid from the catalyst layer to the diffusion layer by forming a barrier layer that can suppress the outflow of phosphoric acid between the catalyst layer and the diffusion layer. The fuel cell electrode includes a barrier layer having a larger average pore size between the catalyst layer and the diffusion layer, and phosphoric acid, which migrates from the catalyst layer to the diffusion layer, exits the barrier layer due to a sudden decrease in capillary force in the barrier layer. This can reduce the amount of phosphoric acid that migrates to the diffusion layer.

도 1은 일 구현예에 따른 연료전지용 전극의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of an electrode for a fuel cell according to one embodiment.

도 1을 참조하면, 확산층(13)은 지지체(11)와 미세기공층(12)으로 이루어질 수 있으며, 확산층(13)의 미세기공층(12)에 대향하여 촉매층(14)이 배치되며, 상기 미세기공층(12)과 촉매층(14) 사이에 배리어층(15)이 배치된다. 이들 층은 서로 인접하여 배치될 수 있으며, 필요에 따라 다른 기능을 갖는 층이 상기 층들 사이에 추가로 삽입될 수도 있다. 상기 촉매층(14)에 인접하여 전해질막(20)이 배치된다. Referring to FIG. 1, the diffusion layer 13 may be formed of the support 11 and the microporous layer 12, and the catalyst layer 14 is disposed to face the microporous layer 12 of the diffusion layer 13. The barrier layer 15 is disposed between the microporous layer 12 and the catalyst layer 14. These layers may be arranged adjacent to each other, and layers having other functions may be further inserted between the layers as necessary. An electrolyte membrane 20 is disposed adjacent to the catalyst layer 14.

상기 확산층(13)은 지지체(11)와 미세기공층(12, microporous layer)을 포함하며, 상기 확산층(13)은 촉매층(14)에서 발생한 전류를 전달하기 위하여 전도전도성을 가질 필요가 있다. 또한, 상기 확산층(13)은 촉매층(14)에서 형성되는 물을 신속하게 배출하고, 공기의 흐름을 원활하게 할 수 있도록 다공성을 띠는 것이 유리하다. The diffusion layer 13 includes a support 11 and a microporous layer 12, and the diffusion layer 13 needs to have conductive conductivity in order to transfer current generated in the catalyst layer 14. In addition, the diffusion layer 13 is advantageous to have a porosity to quickly discharge the water formed in the catalyst layer 14, and to facilitate the flow of air.

상기 지지체(11)는 금속 또는 카본계 소재 등과 같은 전기전도성 물질일 수 있다. 예를 들어 카본페이퍼, 카본 클로스(carbon cloth), 카본 펠트 또는 금속 천 등의 도전성 기판을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. The support 11 may be an electrically conductive material such as a metal or a carbon-based material. For example, a conductive substrate such as carbon paper, carbon cloth, carbon felt or metal cloth may be used, but is not limited thereto.

상기 미세기공층(12)은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 카본 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 화이버, 플러렌(fullrene), 카본나노튜브, 카본 나노와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노링(carbon nano-ring)을 포함할 수 있다. 상기 미세기공층을 구성하는 도전성 분말은 입자 크기가 너무 작으면 압력 강화가 심하여 기체 확산이 미흡할 수 있고, 입자 크기가 너무 커지면 기체의 균일한 확산이 어려울 수 있다. 따라서, 기체의 확산 효과를 고려하여 일반적으로 10nm 내지 50 nm 범위의 평균 입경을 갖는 도전성 분말을 사용할 수 있다. 상기 확산층(13)은 상용 제품을 사용할 수도 있고, 카본페이퍼만 구입한 뒤 그 위에 미세기공층(12)을 직접 코팅하여 준비할 수도 있다. 상기 미세기공층(12)은 상기 도전성 분말 사이에 형성된 공극을 통하여 기체 확산이 일어나며, 이들 공극의 평균 기공 크기는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 미세기공층(12)의 평균 기공 크기는 1nm 내지 10μm 범위일 수 있다. 예를 들어, 미세기공층(12)의 평균 기공 크기는 5nm 내지 1μnm 범위, 10nm 내지 500nm 범위, 또는 50nm 내지 400nm 범위 일수 있다. The microporous layer 12 is generally a conductive powder having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nano horn It may include a carbon nano-horn or a carbon nano-ring (carbon nano-ring). The conductive powder constituting the microporous layer may have insufficient pressure diffusion when the particle size is too small, and insufficient diffusion of gas may be difficult when the particle size is too large. Therefore, in consideration of the diffusion effect of the gas, it is possible to use a conductive powder having an average particle diameter in the range of 10 nm to 50 nm in general. The diffusion layer 13 may use a commercial product, or purchase only carbon paper, and may be prepared by directly coating the microporous layer 12 thereon. The microporous layer 12 is a gas diffusion through the pores formed between the conductive powder, the average pore size of these pores is not particularly limited. For example, the average pore size of the microporous layer 12 may range from 1 nm to 10 μm. For example, the average pore size of the microporous layer 12 may be in the range of 5 nm to 1 μnm, 10 nm to 500 nm, or 50 nm to 400 nm.

상기 확산층(13)의 두께는 기체의 확산 효과 및 전기 저항 등을 고려하여 200μm 내지 400μm 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 확산층(13)의 두께는 100μm 내지 350μm 일 수 있으며, 보다 구체적으로는 200μm 내지 350μm 일 수 있다. The thickness of the diffusion layer 13 may be in the range of 200 μm to 400 μm in consideration of gas diffusion effects and electrical resistance. For example, the thickness of the diffusion layer 13 may be 100 μm to 350 μm, and more specifically 200 μm to 350 μm.

상기 촉매층(14)은 금속 촉매 입자를 포함하며, 당해 기술분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 금속 촉매 입자로는, 백금(Pt), 루테늄(Ru), 주석(Sn), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 셀레늄(Se), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 납(Pb), 이들의 혼합물, 또는 이들의 합금을 사용할 수 있으며, 금속 촉매 입자의 평균 입경은 예를 들어 2nm 내지 10nm 일 수 있다. 이들 금속 촉매 입자는 일반적으로 카본 담체에 담지되어 촉매층으로 사용될 수 있으며, 상기 카본 담체는 평균 직경이 20nm 내지 50nm 범위일 수 있다. 캐소드 촉매층으로는 예를 들어 Pt/C, PtCo/C, PtCr/C 등의 Pt 합금 촉매를 사용할 수 있으며, 애노드 촉매층으로는 Pt/C, PtRu/C 등의 합금 촉매를 사용할 수 있다. The catalyst layer 14 includes metal catalyst particles, and is not particularly limited as long as it can be generally used in the art. For example, as the metal catalyst particles, platinum (Pt), ruthenium (Ru), tin (Sn), palladium (Pd), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), Iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), aluminum (Al), molybdenum (Mo), selenium (Se), tungsten (W), iridium (Ir), Osmium (Os), rhodium (Rh), niobium (Nb), tantalum (Ta), lead (Pb), mixtures thereof, or alloys thereof can be used, and the average particle diameter of the metal catalyst particles is, for example, 2 nm to May be 10 nm. These metal catalyst particles are generally supported on a carbon carrier to be used as a catalyst layer, and the carbon carrier may have an average diameter in the range of 20 nm to 50 nm. For example, Pt alloy catalysts such as Pt / C, PtCo / C, PtCr / C can be used as the cathode catalyst layer, and alloy catalysts such as Pt / C and PtRu / C can be used as the anode catalyst layer.

촉매층(14)은 금속 촉매 입자가 담지된 카본 담체 입자들 사이에 공극이 형성될 수 있으며, 카본 담체 입자들이 뭉쳐 2차 입자를 형성하면서 이들 2차 입자 사이에 공극이 형성되기도 한다. 이들 공극이 갖는 평균 기공 크기는 1nm 내지 1μm 범위일 수 있다. 예를 들어, 촉매층(14)의 평균 기공 크기는 10nm 내지 700nm 범위, 50nm 내지 500nm 범위, 또는 70nm 내지 200nm 범위일 수 있다. In the catalyst layer 14, pores may be formed between the carbon carrier particles on which the metal catalyst particles are supported, and the pores may be formed between the secondary particles while the carbon carrier particles aggregate to form secondary particles. The average pore size of these pores may range from 1 nm to 1 μm. For example, the average pore size of the catalyst layer 14 may range from 10 nm to 700 nm, from 50 nm to 500 nm, or from 70 nm to 200 nm.

상기 촉매층(14)은 전극 반응을 효과적으로 활성화시키고, 전기 저항이 과도하게 증가하지 않도록 두께가 10μm 내지 100μm 일 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매층(14)은 두께가 20μm 내지 60μm 일 수 있으며, 보다 구체적으로는 두께가 30μm 내지 50μm 일 수 있다. The catalyst layer 14 may have a thickness of 10 μm to 100 μm so as to effectively activate the electrode reaction and not excessively increase the electrical resistance. For example, the catalyst layer 14 may have a thickness of 20 μm to 60 μm, and more specifically, may have a thickness of 30 μm to 50 μm.

상기 촉매층(14)은 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수 있다.The catalyst layer 14 may further include a binder resin to improve adhesion of the catalyst layer and transfer hydrogen ions.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스폰산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 양이온 교환기를 갖는 고분자 수지를 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리설폰계 고분자, 폴리에테르설폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택된 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다. It is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder resin, and more preferably have 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. A polymer resin 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 It may include one or more hydrogen ion conductive polymer selected from ether ketone-based polymer, or polyphenylquinoxaline-based polymer.

상기 배리어층(15)은 확산층(13)의 미세기공층(12)과 촉매층(14) 사이에 배치되며, 상기 배리어층(15)은 평균 기공 크기가 촉매층(14) 및 미세기공층(12)의 평균 기공 크기보다 큰 다공성 매트릭스로 이루어진다. 촉매층(14)의 기공을 통하여 빠져나온 인산이 배리어층(15)에 도착하면 배리어층(15)의 평균 기공 크기가 촉매층(14)의 평균 기공 크기보다 크기 때문에 갑작스런 모세관력의 감소로 인하여 배리어층(15)의 기공을 빠져나가지 못하게 되고, 배리어층(15)을 통과하더라도 그 이동 속도가 현저히 감소하게 된다. 즉, 상기 배리어층(15)은 모세관 현상에 의하여 인산이 촉매층(14)에서 확산층(13)으로 이동하는 것을 제어할 수가 있다. The barrier layer 15 is disposed between the microporous layer 12 and the catalyst layer 14 of the diffusion layer 13, and the barrier layer 15 has an average pore size of the catalyst layer 14 and the microporous layer 12. It consists of a porous matrix that is larger than the average pore size. When phosphoric acid escaped through the pores of the catalyst layer 14 arrives at the barrier layer 15, the barrier layer 15 is suddenly reduced because the average pore size of the barrier layer 15 is larger than the average pore size of the catalyst layer 14. It is impossible to escape the pores of (15), and even if it passes through the barrier layer 15, the movement speed is significantly reduced. That is, the barrier layer 15 can control the movement of phosphoric acid from the catalyst layer 14 to the diffusion layer 13 by capillary action.

이와 같이 배리어층(15)은 평균 기공 크기가 촉매층(14) 및 미세기공층(12), 또는 적어도 촉매층(14)의 평균 기공 크기보다 크면 되고, 특별히 범위가 한정되지 않는다. 즉, 소정의 촉매층(14)과 미세기공층(12)이 결정되면, 그들의 평균 기공 크기보다 큰 범위의 평균 기공 크기를 갖도록 다공성 매트릭스 재료를 선택하여 배리어층(15)을 형성하면 된다. 배리어층(15)의 평균 기공 크기는 촉매층(14) 및 미세기공층(12)의 평균 기공 크기보다 크고, 예를 들어 25μm 이하일 수 있다. 예를 들어, 배리어층(15)의 평균 기공 크기는 촉매층(14) 및 미세기공층(12)의 평균 기공 크기보다 크고, 10μm 이하, 5μm 이하, 또는 1μm 이하일 수 있다.As such, the barrier layer 15 may have an average pore size larger than the average pore size of the catalyst layer 14 and the microporous layer 12, or at least the catalyst layer 14, and the range is not particularly limited. That is, when the predetermined catalyst layer 14 and the microporous layer 12 are determined, the barrier layer 15 may be formed by selecting the porous matrix material to have an average pore size in a range larger than their average pore size. The average pore size of the barrier layer 15 is larger than the average pore size of the catalyst layer 14 and the microporous layer 12, for example, may be 25 μm or less. For example, the average pore size of the barrier layer 15 may be larger than the average pore size of the catalyst layer 14 and the microporous layer 12, and may be 10 μm or less, 5 μm or less, or 1 μm or less.

한편, 상기 배리어층(15)은 기공의 최대 크기(max size)가 50μm 이하인 것이 바람직하다. 기공의 최대 크기가 50μm를 넘게 되면 모세관 현상을 이용하여 인산 유출을 억제하는 효과보다 확산(diffusion)에 의하여 인산의 유출이 일어날 수 있기 때문이다. 배리어층(15)의 기공의 최대 크기(max size)는 예를 들어 30μm 이하, 또는 25μm 이하일 수 있다. Meanwhile, the barrier layer 15 preferably has a maximum size of pores of 50 μm or less. This is because when the maximum pore size exceeds 50 μm, the outflow of phosphoric acid may occur due to diffusion (diffusion) rather than the effect of inhibiting the outflow of phosphoric acid using a capillary phenomenon. The maximum size of the pores of the barrier layer 15 may be, for example, 30 μm or less, or 25 μm or less.

또한, 상기 배리어층(15)은 기공의 최소 크기(min size)가 1nm 이상일 수 있다. 기공의 최소 크기가 1nm보다 작으면 고온에서 물이나 연료가스 등의 가스 배출이 용이하지 않을 수 있다. 배리어층(15)의 기공의 최소 크기(min size)는 예를 들어 3nm 이상, 5nm 이상, 10nm 이상, 또는 20nm 이상일 수 있다. In addition, the barrier layer 15 may have a minimum size (min size) of pores of 1 nm or more. If the minimum pore size is less than 1 nm, it may not be easy to discharge gas such as water or fuel gas at high temperatures. The minimum size of the pores of the barrier layer 15 may be, for example, 3 nm or more, 5 nm or more, 10 nm or more, or 20 nm or more.

배리어층(15)에 형성된 기공들은 두께 방향으로 상호 연결될 수 있으며 상기 촉매층(14)과 확산층(13)의 미세기공층(12) 사이에 가스가 통과될 수 있는 통로를 형성할 수 있다. 이들 기공이 형성하는 통로는 인산의 이동을 억제하는 반면 물이나 연료 가스 등의 가스 배출은 기공 사이의 통로를 통하여 이루어질 수 있도록 한다. The pores formed in the barrier layer 15 may be interconnected in the thickness direction, and may form a passage through which gas may pass between the catalyst layer 14 and the microporous layer 12 of the diffusion layer 13. The passage formed by these pores inhibits the movement of phosphoric acid while the gas discharge such as water or fuel gas can be made through the passage between the pores.

이와 같이 배리어층(15)은 구조적인 측면에서는 확산층(13)으로의 인산 유출을 배리어할 수 있는 기공 사이즈를 가지며, 재료적인 측면에서는 특별히 한정되지 않는다. As described above, the barrier layer 15 has a pore size that can prevent the outflow of phosphoric acid to the diffusion layer 13 in terms of its structure. The material is not particularly limited.

다만, 촉매층(14)에서 생성된 전자가 전극의 확산층(13)을 통과하도록 상기 배리어층(15)은 도전성을 가져야 하고, 고전압에서도 산화되지 않도록 부식성을 가질 뿐만 아니라, 인산에 녹지 않는 재료로 이루어질 필요가 있다. 이러한 조건을 만족하는 재료라면 배리어층(15)을 구성하는데 있어서 특별히 한정되는 것은 없다. 예를 들어, 배리어층(15)은 탄소계 재료, 금속 재료, 고분자 재료 및 세라믹 재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료로서 도전성을 갖는 재료를 포함할 수 있다. However, the barrier layer 15 must have conductivity, so that the electrons generated in the catalyst layer 14 pass through the diffusion layer 13 of the electrode, and are made of a material that is not corrosive and insoluble in phosphoric acid so as not to be oxidized even at a high voltage. There is a need. As long as the material satisfies these conditions, the barrier layer 15 is not particularly limited. For example, the barrier layer 15 may include a conductive material as at least one material selected from the group consisting of a carbonaceous material, a metal material, a polymer material, and a ceramic material.

예를 들어, 상기 탄소계 재료의 예로는 카본 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 화이퍼, 플러렌, 카본 나노튜브, 카본 나노와이어, 카본 나노혼, 카본 나노링 등을 들 수 있다. For example, examples of the carbon-based material include carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fibres, fullerenes, carbon nanotubes, carbon nanowires, carbon nanohorns, carbon nanorings, and the like.

상기 금속 재료의 예로는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 레늄(Re) 등을 들 수 있다. Examples of the metal material include gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), copper (Cu), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os) And rhenium (Re).

상기 고분자 재료의 예로는 폴리아세틸렌(polyacetylene)계, 폴리아닐린(polyaniline)계, 폴리피롤(polypyrrole)계, 폴리티오펜(polythiophene)계, 폴리설퍼니트라이드(poly sulfur nitride)계, 폴리파라페닐린(poly para phenylene)계 등과 같이 고분자 내에 탄소 원자들이 단일 결합과 이중 결합이 번갈아 반복되는 사슬 구조를 가지고 있어서 π-전자가 어느 정도 자유롭게 움직여 전기전도성을 갖는 π-공액 고분자 (π-conjugated polymer) 재료라면 제한없이 사용가능하다. Examples of the polymer material include polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly sulfur nitride, and polyparaphenylin As long as the carbon atoms in the polymer have a chain structure in which a single bond and a double bond are alternately repeated, such as a para phenylene type, the π-conjugated polymer material having electrical conductivity due to the free movement of π-electrons is limited. It can be used without.

또한, 상기 세라믹 재료의 예로는 주기율표 상의 3족 내지 8족 사이의 전이금속 및/또는 란탄계 금속 중 1 이상을 포함하는 화합물로서, 상기 전이금속 및/또는 란탄계 금속을 포함하는 산화물, 탄화물, 질화물 또는 붕화물일 수 있으며, 전기전도성을 가지고 있는 것이라면 제한없이 사용가능하다. 예를 들어, 인듐 틴 옥사이드 (indium tin oxide, ITO), 플루오린 도프된 틴 옥사이드 (fluorine doped tin oxide, FTO), 몰리브덴 도프된 인듐 옥사이드 (molybdenum doped indium oxide), 알루미늄 도프된 산화아연 (aluminum doped zinc oxide), 기타 Ti 등의 금속 화합물 등을 사용할 수 있다. 상기 배리어층(15)은 상기 재료들 중 하나를 단독으로 사용하거나, 2 이상을 혼합하거나 복합체 형태로 결합하여 사용하는 것이 가능하며, 복수의 다공성 매트릭스를 적층하여 다층구조로 형성하는 경우도 가능하다. 다층구조의 배리어층(15)의 경우, 각각의 다공성 매트릭스의 재료를 서로 달리하여 설계하거나, 평규 기공 크기가 서로 다르게 설계하는 것이 가능하다. In addition, examples of the ceramic material include compounds containing at least one of transition metals and / or lanthanide metals between Groups 3 and 8 on the periodic table, and include oxides, carbides, It may be nitride or boride, and can be used without limitation as long as it has electrical conductivity. For example, indium tin oxide (ITO), fluorine doped tin oxide (FTO), molybdenum doped indium oxide, aluminum doped zinc oxide zinc oxide), and other metal compounds such as Ti may be used. The barrier layer 15 may be used alone, or two or more thereof may be mixed or combined in a composite form, and a plurality of porous matrices may be stacked to form a multilayer structure. . In the case of the multi-layered barrier layer 15, it is possible to design materials of each porous matrix differently, or design different pore sizes.

배리어층(15)은 입자상 물질로 이루어진 다공성 매트릭스일 수 있다. 특히 촉매층(14)과 미세기공층(12)이 입자상 물질로 이루어진 경우, 각 층의 입자 크기를 고려하여 각 층의 평균 기공 크기를 용이하게 조절할 수 있다는 이점이 있다. 따라서, 이에 의하여 모세관 현상을 간편하게 제어하여 인산의 유출을 감소시킬 수 있다. The barrier layer 15 may be a porous matrix made of a particulate material. In particular, when the catalyst layer 14 and the microporous layer 12 are made of a particulate material, the average pore size of each layer can be easily adjusted in consideration of the particle size of each layer. Therefore, it is possible to easily control the capillary phenomenon thereby reducing the outflow of phosphoric acid.

도 2는 미세기공층(13)과 촉매층(14) 사이에 입자상 물질을 포함하는 배리어층(15')을 모식적으로 나타낸 것이다. 도 2에서 보는 바와 같이, 배리어층(15')은 미세기공층(13) 및 촉매층(14)을 구성하는 입자보다 큰 사이즈의 입자로 구성될 수 있으며, 입자 사이로 기공이 형성된다. 이들 기공을 통하여 미세기공층(13)과 촉매층(14) 사이에 가스가 통과될 수 있는 통로가 형성될 수 있다. 촉매층(14)에서 생성된 연료 가스나 물, 예컨대 고온 PEMFC에서 증기는 입자 사이로 형성된 틈을 통하여 미세기공층(12)으로 통과될 수 있다. 그러나, 인산의 경우 모세관 현상으로 촉매층(14)을 빠져 나오더라도 넓은 사이즈의 기공을 갖는 배리어층(15')에서 급격히 모세관력이 약해지면서 인산 유출이 억제된다. FIG. 2 schematically shows a barrier layer 15 ′ containing particulate matter between the microporous layer 13 and the catalyst layer 14. As shown in FIG. 2, the barrier layer 15 ′ may be composed of particles having a larger size than the particles constituting the microporous layer 13 and the catalyst layer 14, and pores are formed between the particles. Through these pores, a passage through which gas can pass may be formed between the microporous layer 13 and the catalyst layer 14. Fuel gas or water generated in the catalyst layer 14, such as steam in a high temperature PEMFC, may pass into the microporous layer 12 through a gap formed between the particles. However, in the case of phosphoric acid, even if the catalyst layer 14 exits due to a capillary phenomenon, the capillary force is rapidly weakened in the barrier layer 15 ′ having pores of a wide size, and the outflow of phosphoric acid is suppressed.

배리어층(15')을 이루는 입자의 평균 크기는 상기 미세기공층(13) 및 촉매층(14)을 이루는 각각의 입자의 크기보다 크면서, 50μm 이하일 수 있다. 상기 배리어층(15')의 입자의 크기는 예를 들어, 100nm 내지 50μm일 수 있으며, 보다 구체적으로 예를 들면 1μm 내지 10μm일 수 있다. The average size of the particles forming the barrier layer 15 ′ is larger than the size of each particle forming the microporous layer 13 and the catalyst layer 14, and may be 50 μm or less. The particle size of the barrier layer 15 ′ may be, for example, 100 nm to 50 μm, and more specifically, for example, 1 μm to 10 μm.

상기 배리어층(15')을 이루는 입자의 재료는 특별히 한정되지 않으며, 위에서 열거한 탄소계 재료, 금속 재료, 고분자 재료, 세라믹 재료 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 배리어층(15')의 입자는 탄소계 재료로 이루어질 수 있으며, 카본 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 화이퍼, 플러렌, 카본 나노튜브, 카본 나노와이어, 카본 나노혼, 및 카본 나노링 중에서 선택되는 1종 이상의 탄소계 재료를 포함할 수 있다. The material of the particles forming the barrier layer 15 'is not particularly limited, and the above-described carbon-based material, metal material, polymer material, ceramic material, and the like can be used. For example, the particles of the barrier layer 15 ′ may be formed of a carbon-based material, and may include carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiper, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, and carbon nano. And at least one carbon-based material selected from horns and carbon nanorings.

다른 구현예에 따르면, 상기 다공성 매트릭스는 탄소계 재료 외에 금속 메쉬, 발포 금속 등의 금속 다공질체로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 도 3은 미세기공층(13)과 촉매층(14) 사이에 배치되는 배리어층(15")이 금속 메쉬로 이루어지는 것을 보여주고 있다. 금속 메쉬의 틈으로 모세관 현상이 조절될 수 있으며, 이에 의해 인산 유출을 감소시킬 수 있다. 여기서, 금속 메쉬의 형태는 다양하게 변형될 수 있으며, 도 3에 도시된 형태에 한정되는 것은 아니다. According to another embodiment, the porous matrix may be made of a metal porous body such as a metal mesh or a foamed metal in addition to the carbon-based material. For example, Figure 3 shows that the barrier layer 15 "disposed between the microporous layer 13 and the catalyst layer 14 is made of a metal mesh. The capillary phenomenon can be controlled by the gap of the metal mesh. In this case, the shape of the metal mesh may be variously modified, and is not limited to the form shown in FIG. 3.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 배리어층(15)은 두께 방향으로 복수개의 구멍이 일정 간격으로 형성되어 있는 다공성 매트릭스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4는 미세기공층(13)과 촉매층(14) 사이에 배치되는 배리어층(15"')은 복수개의 구멍이 두께 방향으로 뚫려 있고, 이 구멍의 크기를 조절함으로써 모세관 현상을 조절하여 인산 유출을 감소시킬 수 있다. 여기서, 상기 배리어층(15"')는 복수개의 구멍의 형상이나 배열 등이 다양하게 변형될 수 있으며, 도 4에 도시된 형태에 한정되는 것은 아니다. According to another embodiment, the barrier layer 15 may include a porous matrix in which a plurality of holes are formed at predetermined intervals in the thickness direction. For example, in FIG. 4, the barrier layer 15 ″ ′ disposed between the microporous layer 13 and the catalyst layer 14 has a plurality of holes formed in the thickness direction, and the capillary phenomenon is controlled by adjusting the size of the holes. The leakage of phosphoric acid may be reduced by adjusting the barrier layer 15 ″. The barrier layer 15 ″ ′ may be modified in various shapes and arrangements of a plurality of holes, but is not limited to the form illustrated in FIG. 4.

상술한 바와 같이, 도면을 참조하여 다공성 매트릭스가 가질 수 있는 형태에 대해 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 구현예가 가능함은 물론이다.As described above, the form that the porous matrix may have been described with reference to the drawings, but this is merely illustrative, and those skilled in the art may have various modifications and equivalent other embodiments. Of course it is possible.

한편, 일 구현예에 따르면, 상기 배리어층(15)은 다공성 매트릭스의 표면에 발수성 재료를 더 포함할 수 있다. 상기 발수성 재료는 다공성 매트릭스의 기공을 제외한 표면에 코팅되어 기공 주위에 발수성을 부여할 수 있으며, 기공 내에 인산이 들어가서 막히는 일이 없이 보다 더 효과적으로 가스를 통과시킬 수 있다. 이와 같은 배리어층(15)의 발수 처리에 의하면, 예를 들어 입자 상으로 구성된 배리어층의 경우 서로 인접한 입자들 사이에 접촉 저항은 증가될 수 있으나, 입자간의 접촉으로 인한 과전압보다 가스의 확산 효율로 인한 확산 과전압이 훨씬 크기 때문에 발수 처리에 의하여 전체적으로 전지 성능은 높아질 수 있다. Meanwhile, according to one embodiment, the barrier layer 15 may further include a water repellent material on the surface of the porous matrix. The water repellent material may be coated on the surface except the pores of the porous matrix to impart water repellency around the pores, and may pass gas more effectively without the phosphoric acid entering the pores. According to such a water repellent treatment of the barrier layer 15, in the case of the barrier layer composed of particles, for example, the contact resistance between the adjacent particles may be increased, but the diffusion efficiency of the gas is higher than the overvoltage caused by the contact between the particles. Due to the much larger diffusion overvoltage due to the water repellent treatment, the overall battery performance can be improved.

상기 발수성 재료의 예로는, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoro ethylene, PTFE), 불소화된 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylne, FEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), PFA(perfluoroalkoxy), 2,2-비스트리플루오로메틸-4,5-디플루오로-1,3-디옥솔 테트라플루오로에틸렌 코폴리머, 술폰화된 테트라플루오로에틸렌계 플루오로폴리머-코폴리머 등을 들 수 있으며, Fluoro Technology社의 플루오로사프(Fluorosarf)(상품명), 아사히글라스의 CYTOP (상품명), Dupont社의 Nafion (상품명) 등 테프론계 폴리머를 사용하는 것이 가능하다. 이들 발수성 재료를 단독으로 또는 2 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이러한 발수성 재료는 다공성 매트릭스를 구성하는 물질과 함께 단순히 혼합하거나, 다공성 매트릭스를 구성하는 물질 표면에 미리 코팅시킨 뒤 배리어층을 형성하는 방식으로 사용하는 것이 가능하다.Examples of the water-repellent material include polytetrafluoroethylene (PTFE), fluorinated ethylene propylne (FEP), polyvinylidene fluoride (PVdF), perfluoroalkoxy (PFA), 2,2-bis Trifluoromethyl-4,5-difluoro-1,3-diosol tetrafluoroethylene copolymer, sulfonated tetrafluoroethylene-based fluoropolymer-copolymer, etc .; Teflon-based polymers such as Fluorosarf (trade name), Asahi Glass's CYTOP (trade name) and Dupont's Nafion (trade name) can be used. These water repellent materials can be used individually or in mixture of 2 or more. Such a water repellent material can be used simply by mixing with the material constituting the porous matrix or by coating the surface of the material constituting the porous matrix and forming a barrier layer.

일 구현예에 따르면, 상기 배리어층(15)은 다공성 매트릭스에 촉매 금속이 담지되어 있을 수 있다. 특히, 상기 배리어층이 탄소계 재료의 다공성 매트릭스를 포함할 경우, 상기 탄소계 다공성 매트릭스를 담지체로 하여 촉매 금속을 담지시킬 수 있다. 담지될 수 있는 촉매 금속으로는 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 그 혼합물 및 그 합금으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 이와 같이 촉매 금속이 담지된 배리어층(15)은 인산 유출을 방지할 뿐만 아니라 촉매층(14)과 마찬가지로 애노드 또는 캐소드에서의 전극 반응을 활성화시키는데 기여할 수 있다. According to one embodiment, the barrier layer 15 may be supported with a catalytic metal in a porous matrix. In particular, when the barrier layer includes a porous matrix of a carbonaceous material, the catalyst metal may be supported using the carbonaceous porous matrix as a support. Catalysts that can be supported include platinum (Pt), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), and iridium ( Ir, copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), tin (Sn), titanium (Ti), chromium (Cr), mixtures thereof and alloys thereof. As described above, the barrier layer 15 loaded with the catalyst metal not only prevents phosphoric acid leakage but also contributes to activating the electrode reaction at the anode or the cathode, like the catalyst layer 14.

이와 같은 배리어층(15)은 상술한 바와 같은 다공성 매트릭스를 단층으로 포함한 구조일 수도 있으며, 다공성 매트릭스를 2 이상 적층시킨 다층구조를 가질 수도 있다. 이때, 상기 다층구조를 이루는 각 층의 다공성 매트릭스는 기공의 크기가 서로 다를 수 있다. The barrier layer 15 may have a structure including the porous matrix as a single layer as described above, or may have a multilayer structure in which two or more porous matrices are stacked. At this time, the porous matrix of each layer constituting the multi-layer structure may have different pore sizes.

상기 배리어층(15)은 두께가 10μm 내지 50μm 일 수 있다. 배리어층(15)의 두께가 너무 두꺼워지면 전기 저항이 증가할 수 있고, 두께가 너무 얇으면 모세관 현상을 제어하기 힘들어 인산의 이동을 감소시키기 어려워질 수 있다. 따라서, 상기 범위의 두께로 배리어층(15)을 형성하여 전기저항의 과도한 증가 없이 인산의 유출을 감소시키는 효과를 가져올 수 있다.The barrier layer 15 may have a thickness of 10 μm to 50 μm. If the thickness of the barrier layer 15 is too thick, the electrical resistance may be increased, and if the thickness is too thin, it may be difficult to control the capillary phenomenon, thereby making it difficult to reduce the movement of phosphoric acid. Therefore, the barrier layer 15 may be formed to a thickness within the above range, thereby reducing the outflow of phosphoric acid without excessively increasing the electrical resistance.

본 발명의 다른 측면에 따르면, According to another aspect of the present invention,

캐소드; Cathode;

상기 캐소드에 대향하여 배치되는 애노드; 및 An anode disposed opposite the cathode; And

상기 캐소드와 애노드 사이에 배치되는 고분자 전해질막을 포함하고, It includes a polymer electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode,

상기 캐소드와 애노드 중 적어도 하나가 상술한 전극을 포함하는 연료전지용 막전극 접합체가 제공된다. At least one of the cathode and the anode is provided with a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising the electrode described above.

일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체에서 캐소드와 애노드 중 어느 하나가 상기한 전극일 수 있는데, 적어도 캐소드가 상기한 전극으로 구성될 경우 캐소드에서 형성된 물의 배출로 인한 인산의 유출 문제를 해결한다는 점에서 유용하다. 또한, 캐소드와 애노드 모두가 상기한 전극으로 구성될 경우, 막전극 접합체에서 발생할 수 있는 인산 유출을 최대한 방지할 수 있다는 점에서 유용하다. According to an embodiment, any one of a cathode and an anode in the membrane electrode assembly may be the above electrode, which solves the problem of leakage of phosphoric acid due to the discharge of water formed at the cathode when at least the cathode is composed of the electrode. Useful at In addition, when both the cathode and the anode is composed of the above-described electrode, it is useful in that it can prevent the phosphate leakage that can occur in the membrane electrode assembly to the maximum.

상기 고분자 전해질막으로는 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 폴리벤즈이미다졸(PBI), 가교결합된 폴리벤즈이미다졸, 폴리(2,5-벤즈이미다졸)(ABPBI), 폴리우레탄(Polyurethane), 및 개질된 폴리테트라플루오로에틸렌(modified PTFE)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.The polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but may be polybenzimidazole (PBI), crosslinked polybenzimidazole, poly (2,5-benzimidazole) (ABPBI), polyurethane, and It may be one or more selected from the group consisting of modified polytetrafluoroethylene (modified PTFE).

상기 고분자 전해질막에는 인산 또는 유기인산을 함침시키며, 인산 이외에 다른 산도 사용할 수 있다. 상기 인산의 농도는 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 80 내지 100 중량%, 특히 85중량% 인산 수용액을 사용할 수 있다. The polymer electrolyte membrane may be impregnated with phosphoric acid or organic phosphoric acid, and other acids may be used in addition to phosphoric acid. The concentration of the phosphoric acid is not particularly limited, but an aqueous solution of 80 to 100% by weight, in particular 85% by weight, of phosphoric acid may be used.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지가 제공된다.According to another aspect of the invention there is provided a fuel cell comprising the membrane electrode assembly.

상기 연료전지는 상술한 막전극 접합체를 포함하며, 이러한 연료전지의 제조는, 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. The fuel cell includes the membrane electrode assembly described above, and the production of such a fuel cell can use a conventional method known in various literatures, and thus a detailed description thereof is omitted here.

이하에서, 본 발명을 하기 실시예를 들어 예시하기로 하되, 본 발명의 보호범위가 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be exemplified by the following examples, but the protection scope of the present invention is not limited only to the following examples.

비교예Comparative example 1  One (지지체/(Support / MPLMPL /Of 전해질막Electrolyte membrane /Of MPLMPL /지지체)/ Support)

먼저, 배리어층 형성에 의하여 인산이 얼마나 빠져나가는지를 비교 실험하기 위하여, 280μm 두께의 카본 페이퍼 위에 약 40μm의 케첸 블랙으로 미세기공층(MPL)을 코팅시켜 확산층을 준비하고, 촉매층이 없이 2개의 확산층 사이에 인산 함침된 폴리벤즈옥사진을 고분자 전해질막을 개재하여 연료전지 단위셀을 조립하였고, 이를 비교예 1로 하였다.
First, to compare how much phosphoric acid escapes by barrier layer formation, a microporous layer (MPL) is coated with ketjen black of about 40 μm on 280 μm thick carbon paper to prepare a diffusion layer, and two diffusion layers without a catalyst layer. A polybenzoxazine impregnated with phosphoric acid was assembled through a polymer electrolyte membrane to form a fuel cell unit cell, and Comparative Example 1 was used.

실시예Example 1  One (지지체/(Support / MPLMPL /Of 배리어층Barrier layer /Of 전해질막Electrolyte membrane /Of 배리어층Barrier layer /Of MPLMPL /지지체)/ Support)

280μm 두께의 카본 페이퍼 위에 약 40μm의 케첸 블랙으로 미세기공층(MPL)이 코팅된 확산층 위에, 입자 크기가 1-2 μm 정도인 카본 파우더 97중량%와 PVdF 바인더 3중량%로 이루어진 배리어층을 코팅하고, 80℃에서 1시간 건조시켰다. 이와 같이 배리어층이 코팅된 2개의 확산층 사이에 인산 함침된 폴리벤즈옥사진 고분자 전해질막을 개재하여 연료전지 단위셀을 조립하였다.A barrier layer consisting of 97% by weight of carbon powder and 3% by weight of PVdF binder is coated on a diffusion layer coated with a microporous layer (MPL) in ketjen black of about 40 μm on 280 μm thick carbon paper. And it dried at 80 degreeC for 1 hour. The fuel cell unit cell was assembled through the polybenzoxazine polymer electrolyte membrane impregnated with phosphoric acid between the two diffusion layers coated with the barrier layer.

각 층에 사용된 지지체와 MPL, 및 배리어층의 기공 분포를 Mercury Porosimeter로 측정하여, 기공 크기가 큰 쪽에서부터 작은 쪽으로 기공 분포의 누적 곡선을 구하였다. 이와 같이 누적시킨 기공 체적 분포를 도 5에 도시하였다. 도 5에서 보는 바와 같이, 누적 빈도가 50%인 지점에서의 평균 기공 크기를 보면, 배리어층의 평균 기공 크기가 MPL의 평균 기공 크기보다 큰 것을 확인할 수 있다.
The pore distribution of the support, MPL and barrier layer used in each layer was measured by Mercury Porosimeter, and the cumulative curve of the pore distribution was calculated from the larger pore size to the smaller pore size. The pore volume distribution thus accumulated is shown in FIG. 5. As shown in Figure 5, when looking at the average pore size at the 50% cumulative frequency, it can be seen that the average pore size of the barrier layer is larger than the average pore size of the MPL.

평가예Evaluation example 1:  One: 배리어층에On the barrier layer 의한 인산 유출량 실험 Phosphoric Acid Runoff Test

상기 비교예 1 및 실시예 1에 따라 조립된 연료전지 단위셀을 80℃에서 3주동안 보관한 뒤, 연료전지 단위셀에서 확산층 전극과 고분자 전해질막을 분리하여 물에 희석한 후 존재하는 인산의 분포량을 0.1 M NaOH 용액으로 적정하고 그 결과를 도 6에 나타내었다. After storing the fuel cell unit cells assembled according to Comparative Examples 1 and 1 for three weeks at 80 ° C., the diffusion layer electrode and the polymer electrolyte membrane were separated from the fuel cell unit cell, diluted in water, and then distributed in water. Was titrated with 0.1 M NaOH solution and the results are shown in FIG. 6.

도 6에서 보는 바와 같이, 배리어층을 삽입하지 않은 비교예 1은 최초 전해질막에 함침된 인산량 중 50% 넘는 양이 유출되어 소실되었고, 약 5% 정도는 확산층으로 유출되어 존재하는 것을 알 수 있다. 이에 반하여, 미세기공층과 전해질막 사이에 배리어층을 삽입한 실시예 1은 최초 전해질막에 함침된 인산량 중 약 24% 정도의 인산만이 유출되어 소실되었고, 확산층으로 유출된 양도 감소한 것을 알 수 있다.
As shown in FIG. 6, in Comparative Example 1 in which the barrier layer was not inserted, more than 50% of the phosphoric acid impregnated in the first electrolyte membrane was leaked and lost, and about 5% was leaked to the diffusion layer. have. On the contrary, in Example 1 in which the barrier layer was inserted between the microporous layer and the electrolyte membrane, only about 24% of the phosphoric acid impregnated in the first electrolyte membrane was leaked and lost, and the amount of the phosphoric acid was also reduced. Can be.

비교예Comparative example 2 2 (지지체/ (Support / MPLMPL /Of 캐소드촉매층Cathode catalyst layer /Of 전해질막Electrolyte membrane /Of 애노드촉매층Anode catalyst layer /Of MPLMPL /지지체)/ Support)

280μm 두께의 카본 페이퍼 위에 약 40μm의 케첸 블랙으로 미세기공층(MPL)이 코팅된 확산층 위에, Pt/C 0.5g, NMP 2g 및 PBOA (Polybenzoxazine) 바인더 용액(5% in H2O) 0.25g이 포함된 촉매 슬러리를 코팅하고 오븐에서 80℃에서 1시간, 120℃에서 30분, 150℃에서 10분간 건조시켜 캐소드와 애노드 전극을 준비하였다. 이와 같이 준비된 캐소드 전극 및 애노드 전극 사이에 인산 함침된 폴리벤즈옥사진 고분자막을 개재하여 MEA를 조립한 뒤, 이를 이용하여 연료전지를 제조하였다.
Pt / C 0.5g, NMP 2g and PBOA (Polybenzoxazine) on diffusion layer coated with microporous layer (MPL) in ketjen black of about 40μm on 280μm thick carbon paper Binder solution (5% in H 2 O) A catalyst slurry containing 0.25 g was coated and dried in an oven at 80 ° C. for 1 hour, at 120 ° C. for 30 minutes, and at 150 ° C. for 10 minutes to prepare a cathode and an anode electrode. After assembling the MEA through the polybenzoxazine polymer membrane impregnated with phosphoric acid between the cathode electrode and the anode electrode thus prepared, a fuel cell was manufactured using the same.

실시예Example 2 2 (지지체/ (Support / MPLMPL /Of 배리어층Barrier layer /Of 캐소드촉매층Cathode catalyst layer /Of 전해질막Electrolyte membrane /Of 애노드촉매층Anode catalyst layer /Of MPLMPL /지지체)/ Support)

280μm 두께의 카본 페이퍼 위에 약 40μm의 케첸 블랙으로 미세기공층(MPL)이 코팅된 확산층 위에, 입자 크기가 1-2 μm 정도인 카본 파우더 97중량%와 PVdF 바인더 3중량%로 이루어진 배리어층을 코팅하고, 80℃에서 1시간 건조시켰다. A barrier layer consisting of 97% by weight of carbon powder and 3% by weight of PVdF binder is coated on a diffusion layer coated with a microporous layer (MPL) in ketjen black of about 40 μm on 280 μm thick carbon paper. And it dried at 80 degreeC for 1 hour.

한편, 0.5g Pt/C, H2O 2g 및 PBOA 바인더 용액(5% in H2O) 0.25g이 포함된 촉매 슬러리를 인산 함침된 폴리벤즈옥사진 고분자막에 코팅하여 오븐에서 60℃에서 10분간 건조시켜 캐소드 전극을 준비하였다. Meanwhile, a catalyst slurry containing 0.5 g of Pt / C, 2 g of H 2 O and 0.25 g of PBOA binder solution (5% in H 2 O) was coated on a polybenzoxazine polymer membrane impregnated with phosphoric acid and then heated at 60 ° C. for 10 minutes in an oven. Drying prepared the cathode electrode.

이와 별도로 280μm 두께의 카본 페이퍼 위에 약 40μm의 케첸 블랙으로 미세기공층(MPL)이 코팅된 확산층 위에, Pt/C 0.5g, NMP 2g 및 PBOA 바인더 용액(5% in H2O) 0.25g이 포함된 촉매 슬러리를 코팅하고 오븐에서 80℃에서 1시간, 120℃에서 30분, 150℃에서 10분간 건조시켜 애노드 전극을 준비하였다.Separately, 0.5 g of Pt / C, 2 g of NMP, and 0.25 g of PBOA binder solution (5% in H 2 O) were included on a diffusion layer coated with a microporous layer (MPL) of approximately 40 μm Ketjen Black on 280 μm thick carbon paper. The prepared catalyst slurry was coated and dried in an oven at 80 ° C. for 1 hour, at 120 ° C. for 30 minutes, and at 150 ° C. for 10 minutes to prepare an anode electrode.

이와 같이 준비된, 확산층에 코팅된 배리어층, 캐소드 전극이 코팅된 고분자막, 및 확산층에 코팅된 애노드 전극을 이용하여, 캐소드 전극 쪽에만 배리어층이 형성된 MEA를 조립한 뒤, 이를 이용하여 연료전지를 제조하였다.
Using the barrier layer coated on the diffusion layer, the polymer film coated on the cathode electrode, and the anode electrode coated on the diffusion layer, an MEA having a barrier layer formed only on the cathode electrode side was assembled, and then, a fuel cell was manufactured. It was.

실시예Example 3 3 (지지체/ (Support / MPLMPL /Of 발수처리된Water repellent 배리어층Barrier layer /Of 캐소드촉매층Cathode catalyst layer /Of 전해질막Electrolyte membrane /Of 애노드촉매층Anode catalyst layer /Of MPLMPL /지지체)/ Support)

상기 실시예 2에서 배리어층으로서, 입자 크기가 1-2 μm 정도인 카본 파우더 80중량%와 나피온 바인더 20중량%를 이용하여 배리어층을 형성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 연료전지를 제조하였다. 상기 실시예 3은 PVdF 바인더보다 발수성이 훨씬 뛰어난 나피온 바인더를 높은 함량으로 사용하여 배리어층에 발수성을 부여하였다.
As the barrier layer in Example 2, except that a barrier layer was formed using 80 wt% of carbon powder having a particle size of about 1-2 μm and 20 wt% of Nafion binder, the same as in Example 2 above. A fuel cell was produced. Example 3 imparted water repellency to the barrier layer by using a Nafion binder having a much higher water repellency than the PVdF binder.

실시예Example 4 4 (지지체/ (Support / MPLMPL /촉매금속 / Catalyst metal 담지된Supported 배리어층Barrier layer /Of 캐소드촉매층Cathode catalyst layer /Of 전해질막Electrolyte membrane /애노드촉매층/Anode catalyst layer MPLMPL /지지체)/ Support)

280μm 두께의 카본 페이퍼 위에 약 40μm의 케첸 블랙으로 미세기공층(MPL)이 코팅된 확산층 위에, Pt/C 0.5g, NMP 2g 및 PBOA 바인더 용액(5% in H2O) 0.25g이 포함된 촉매 슬러리를 코팅하고 오븐에서 80℃에서 1시간, 120℃에서 30분, 150℃에서 10분간 건조시켜 제1의 기공을 지닌 배리어층을 준비하였다. A catalyst slurry containing 0.5 g of Pt / C, 2 g of NMP, and 0.25 g of PBOA binder solution (5% in H2O) on a diffusion layer coated with a microporous layer (MPL) of approximately 40 μm Ketjen Black on 280 μm thick carbon paper The coating layer was dried in an oven at 80 ° C. for 1 hour, at 120 ° C. for 30 minutes, and at 150 ° C. for 10 minutes to prepare a barrier layer having first pores.

한편, 0.5g Pt/C, H2O 2g 및 PBOA 바인더 용액(5% in H2O) 0.25g이 포함된 촉매 슬러리를 인산 함침된 폴리벤즈옥사진 고분자막에 코팅하여 오븐에서 60℃에서 10분간 건조시켜 제2 기공을 지닌 캐소드 전극을 준비하였다. 이때 상기 제1 기공이 제2 기공보다 기공 크기보다 크도록 배리어층과 캐소드 전극층의 Pt/C 입자를 선택하였다. Meanwhile, a catalyst slurry containing 0.5 g of Pt / C, 2 g of H 2 O and 0.25 g of PBOA binder solution (5% in H 2 O) was coated on a polybenzoxazine polymer membrane impregnated with phosphoric acid and then heated at 60 ° C. for 10 minutes in an oven. It was dried to prepare a cathode electrode having a second pore. In this case, Pt / C particles of the barrier layer and the cathode electrode layer were selected such that the first pore is larger than the pore size than the second pore.

이와 별도로 280μm 두께의 카본 페이퍼 위에 약 40μm의 케첸 블랙으로 미세기공층(MPL)이 코팅된 확산층 위에, Pt/C 0.5g, NMP 2g 및 PBOA 바인더 용액(5% in H2O) 0.25g이 포함된 촉매 슬러리를 코팅하고 오븐에서 80℃에서 1시간, 120℃에서 30분, 150℃에서 10분간 건조시켜 애노드 전극을 준비하였다.Separately, 0.5 g of Pt / C, 2 g of NMP, and 0.25 g of PBOA binder solution (5% in H 2 O) were included on a diffusion layer coated with a microporous layer (MPL) of approximately 40 μm Ketjen Black on 280 μm thick carbon paper. The prepared catalyst slurry was coated and dried in an oven at 80 ° C. for 1 hour, at 120 ° C. for 30 minutes, and at 150 ° C. for 10 minutes to prepare an anode electrode.

이와 같이 준비된, 확산층에 코팅된 배리어층, 캐소드 전극이 코팅된 고분자막, 및 확산층에 코팅된 애노드 전극을 이용하여, 캐소드 전극 쪽에만 촉매금속이 담지된 배리어층이 형성된 MEA를 조립한 뒤, 이를 이용하여 연료전지를 제조하였다.
Using the barrier layer coated on the diffusion layer, the polymer film coated on the cathode electrode, and the anode electrode coated on the diffusion layer, an MEA having a catalyst layer supported only on the cathode electrode was assembled, and then used. To produce a fuel cell.

상기 실시예 2-4 및 비교예 2의 연료전지에 사용된 지지체, 미세기공층(MPL) 및 배리어층의 제조조건은 상기 실시예 1 및 비교예 1의 경우와 동일하다. 실시예 2-4 및 비교예 2의 연료전지에 사용된 지지체, MPL, 배리어층, 촉매금속 담지된 배리어층, 및 (캐소드/애노드) 촉매층의 누적된 기공 체적 분포 측정 결과를 도 5에 함께 도시하였다. 도 5에서 보는 바와 같이, 배리어층의 평균 기공 크기는 MPL 및 배리어층의 평균 기공 크기보다 크다는 것을 알 수 있다.
The preparation conditions of the support, the microporous layer (MPL) and the barrier layer used in the fuel cells of Example 2-4 and Comparative Example 2 are the same as in Example 1 and Comparative Example 1. 5 shows cumulative pore volume distribution measurement results of the support, MPL, barrier layer, catalyst metal-supported barrier layer, and (cathode / anode) catalyst layer used in the fuel cells of Examples 2-4 and Comparative Example 2. It was. As shown in Figure 5, it can be seen that the average pore size of the barrier layer is larger than the average pore size of the MPL and barrier layer.

평가예Evaluation example 2:  2: DSSDSS 운전에 따른 전압 측정 Voltage measurement by operation

상기 비교예 2 및 실시예 2 내지 4의 연료전지에 대하여, 캐소드 측에 공기 약 250 ccm, 애노드 측에 수소 100ccm을 흘리면서 150℃에서 전지를 운전하였다. 2시간 운전 후 전류를 정지시키고 연료 공급과 전지 가열(heating)을 중단시켰다. 전지가 40℃ 이하의 온도로 떨어지면 전지 가열을 다시 시작하고, 전지가 150℃가 되면 연료 공급을 시작하고 0.2A/cm2 전류 밀도에서 운전이 시작되었다. 2시간 운전 후 전지는 다시 운전이 정지되며 이러한 기동정지(stop-start) 운전이 계속 반복 되었다. 100회 DSS(Daily Stop Start: 일일기동정지) 운전에 따른 전압을 측정하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. For the fuel cells of Comparative Example 2 and Examples 2 to 4, the battery was operated at 150 ° C. while flowing about 250 ccm of air on the cathode side and 100 ccm of hydrogen on the anode side. After 2 hours of operation the current was stopped and the fuel supply and cell heating were stopped. When the cell dropped to a temperature below 40 ° C., the cell heating started again. When the cell reached 150 ° C., fuel supply was started and operation started at a current density of 0.2 A / cm 2 . After 2 hours of operation, the battery was stopped again and this stop-start operation was repeated. The voltage according to 100 DSS (Daily Stop Start) operation was measured, and the results are shown in FIG. 7.

도 7에서 보는 바와 같이, 100회 매일 기동과 정지를 반복한 상황에서 실시예 2 내지 4의 연료전지는 비교예 2에 비하여 전압 감소가 상당히 개선된 것을 알 수 있다.
As shown in FIG. 7, it can be seen that the fuel cells of Examples 2 to 4 are significantly improved in voltage reduction compared to Comparative Example 2 in a situation of starting and stopping 100 times daily.

평가예Evaluation example 3:  3: DSSDSS 운전 후 인산량 측정  Phosphoric acid measurement after driving

상기 비교예 2 및 실시예 2의 연료전지에 대하여, 상기 평가예 2와 같은 조건으로 DSS(Daily Stop Start: 일일기동정지) 운전을 실시하고, MEA에 잔존하는 인산량을 측정하여 그 결과를 도 8에 나타내었다. For the fuel cells of Comparative Examples 2 and 2, DSS (Daily Stop Start) operation was performed under the same conditions as in Evaluation Example 2, and the amount of phosphoric acid remaining in the MEA was measured. 8 is shown.

도 8에서 보는 바와 같이, MEA에 최초 함침된 인산량에 대하여 비교예 2의 연료전지는 DSS 350회 운전 후 인산량이 약 11% 감소하였고, 이에 반하여 실시예 1의 연료전지는 DSS 415회 운전 후 인산량은 약 5% 정도밖에 감소되지 않았다. 이를 통하여, 상기 실시예 2의 연료전지는 촉매층과 확산층 사이에 배리어층을 적용함으로써 인산의 유출이 현저히 감소되었으며, MEA의 수명 특성이 향상된 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 8, in the fuel cell of Comparative Example 2, the phosphoric acid amount of the fuel cell of Comparative Example 2 decreased by about 11% after DSS 350 operations, whereas the fuel cell of Example 1 was operated after DSS 415 operations. Phosphoric acid was reduced by only about 5%. Through this, it can be seen that the fuel cell of Example 2 significantly reduced the outflow of phosphoric acid by applying a barrier layer between the catalyst layer and the diffusion layer, and improved life characteristics of the MEA.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, . Accordingly, the scope of protection of the present invention should be determined by the appended claims.

10: 전극 11: 지지체
12: 미세기공층 13: 확산층
14: 촉매층 15, 15', 15", 15"': 배리어층
20: 전해질막
10: electrode 11: support
12: microporous layer 13: diffusion layer
14: catalyst layer 15, 15 ', 15 ", 15"': barrier layer
20: electrolyte membrane

Claims (21)

지지체 및 상기 지지체에 배치된 미세기공층을 포함하는 확산층;
상기 미세기공층에 대향하도록 배치되는 촉매층; 및
상기 촉매층 및 미세기공층의 사이에 배치되는 배리어층을 포함하고,
상기 배리어층은 평균 기공 크기가 상기 촉매층 및 미세기공층의 평균 기공 크기보다 큰 연료전지용 전극.
A diffusion layer comprising a support and a microporous layer disposed on the support;
A catalyst layer disposed to face the microporous layer; And
A barrier layer disposed between the catalyst layer and the microporous layer,
The barrier layer has an average pore size larger than the average pore size of the catalyst layer and the microporous layer.
제1항에 있어서,
상기 배리어층은 기공의 최대 크기(max size)가 50μm 이하인 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
The barrier layer is a fuel cell electrode having a maximum size (pore size) of 50μm or less.
제1항에 있어서,
상기 배리어층은 기공의 최소 크기(min size)가 1nm 이상인 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
The barrier layer has a minimum pore size (min size) of 1 nm or more electrode for a fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 배리어층의 평균 기공 크기가 25μm 이하인 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
An electrode for a fuel cell, wherein the barrier layer has an average pore size of 25 μm or less.
제1항에 있어서,
상기 배리어층의 평균 기공 크기가 10μm 이하인 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
And an average pore size of the barrier layer is 10 μm or less.
제1항에 있어서,
상기 배리어층의 평균 기공 크기가 200nm 내지 5μm인 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
An electrode for a fuel cell having an average pore size of the barrier layer is 200nm to 5μm.
제1항에 있어서,
상기 배리어층은 도전성을 갖는, 탄소계 재료, 금속 재료, 고분자 재료 및 세라믹 재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료로 이루어지는 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
And the barrier layer is formed of at least one material selected from the group consisting of a carbon-based material, a metal material, a polymer material, and a ceramic material having conductivity.
제7항에 있어서,
상기 탄소계 재료는 카본 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 화이퍼, 플러렌, 카본 나노튜브, 카본 나노와이어, 카본 나노혼 및 카본 나노링으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 연료전지용 전극.
The method of claim 7, wherein
The carbonaceous material includes at least one fuel selected from the group consisting of carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon wiper, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, carbon nanohorns and carbon nanorings. Battery electrode.
제1항에 있어서,
상기 배리어층은 입자상 물질을 포함하는 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
The barrier layer is a fuel cell electrode containing a particulate matter.
제9항에 있어서,
상기 입자상 물질의 입경이 0.1 내지 50 μm인 연료전지용 전극.
10. The method of claim 9,
The particle size of the particulate matter of 0.1 to 50 μm fuel cell electrode.
제1항에 있어서,
상기 배리어층은 금속 메쉬 및 발포 금속 중 적어도 하나의 금속 다공질체를 포함하는 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
The barrier layer is a fuel cell electrode comprising a metal porous body of at least one of a metal mesh and a foamed metal.
제1항에 있어서,
상기 배리어층은 발수성 재료를 더 포함하는 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
The barrier layer further comprises a water repellent material electrode for a fuel cell.
제12항에 있어서,
상기 발수성 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불소화된 에틸렌 프로필렌(FEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), PFA(perfluoroalkoxy), 2,2-비스트리플루오로메틸-4,5-디플루오로-1,3-디옥솔 테트라플루오로에틸렌 코폴리머, 및 술폰화된 테트라플루오로에틸렌계 플루오로폴리머-코폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 연료전지용 전지.
The method of claim 12,
The water repellent material is polytetrafluoroethylene (PTFE), fluorinated ethylene propylene (FEP), polyvinylidene fluoride (PVdF), perfluoroalkoxy (PFA), 2,2-bistrifluoromethyl-4,5-di A fuel cell cell comprising at least one selected from the group consisting of a fluoro-1,3-diosol tetrafluoroethylene copolymer and a sulfonated tetrafluoroethylene-based fluoropolymer-copolymer.
제1항에 있어서,
상기 배리어층에 촉매 금속이 담지되는 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
A fuel cell electrode in which a catalyst metal is supported on the barrier layer.
제14항에 있어서,
상기 촉매 금속은 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 그 혼합물 및 그 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 연료전지용 전극.
15. The method of claim 14,
The catalyst metal is platinum (Pt), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), copper A fuel cell electrode selected from the group consisting of (Cu), silver (Ag), gold (Au), tin (Sn), titanium (Ti), chromium (Cr), mixtures thereof and alloys thereof.
제1항에 있어서,
상기 배리어층은 복수의 다공성 매트릭스가 적층된 다층구조를 가지는 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
The barrier layer is a fuel cell electrode having a multilayer structure in which a plurality of porous matrices are stacked.
제16항에 있어서,
상기 적층된 각각의 다공성 매트릭스는 평균 기공 크기가 서로 다른 연료전지용 전극.
The method of claim 16,
Each of the stacked porous matrices has a different average pore size.
제1항에 있어서,
상기 배리어층은 두께가 5 내지 50μm인 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
The barrier layer is a fuel cell electrode having a thickness of 5 to 50μm.
제1항에 있어서,
상기 배리어층은 상기 촉매층에서 상기 확산층으로의 무기산 또는 유기산의 유출을 억제하는 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
The barrier layer is a fuel cell electrode for suppressing the outflow of the inorganic acid or organic acid from the catalyst layer to the diffusion layer.
캐소드;
상기 캐소드에 대향하여 배치되는 애노드; 및
상기 캐소드와 애노드 사이에 배치되는 고분자 전해질막을 포함하고,
상기 캐소드와 애노드 중 적어도 하나가 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 전극을 포함하는 연료전지용 막전극 접합체.
Cathode;
An anode disposed opposite the cathode; And
It includes a polymer electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode,
20. A membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein at least one of the cathode and the anode comprises an electrode according to any one of claims 1 to 19.
제20항에 따른 막전극 접합체를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 20.
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