KR20120140295A - Membrane electrode assembly for fuel cells having improved efficiency and durability and fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A membrane-electrode assembly for fuel cell capable of improving durability and performance of the fuel cell and a fuel cell using the same are provided to show uniform current density distribution in fuel cell start-up. CONSTITUTION: A membrane-electrode assembly for fuel cell includes anode and cathode which are located to face each other, polymer electrolyte membrane positioned between the anode and cathode, an electrode substrate of the anode and cathode and catalyst coated on the electrode substrate. The catalyst coating amount per unit area is larger in flow channel direction switching part and an adjacent part located within predetermined distance from the flow channel direction switching part.

Description

내구성 및 성능이 개선된 연료 전지용 막전극 어셈블리 및 이를 이용한 연료 전지{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELLS HAVING IMPROVED EFFICIENCY AND DURABILITY AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}Membrane electrode assembly for fuel cell with improved durability and performance, and fuel cell using same TECHNICAL FIELD

본 발명은 내구성 및 효율이 개선된 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 이용한 연료 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 애노드 전극 및 캐소드 전극의 전극 기재에 도포되는 촉매의 양을 위치별로 달리하여 제조됨으로써 연료 전지 조업시 고른 전류밀도 분포를 나타내어 연료 전지의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 이용한 연료 전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel cell membrane-electrode assembly having improved durability and efficiency, and a fuel cell using the same. More specifically, the fuel cell is manufactured by varying the amount of the catalyst applied to the electrode substrates of the anode electrode and the cathode electrode. The present invention relates to a fuel cell membrane-electrode assembly capable of improving performance and durability of a fuel cell by exhibiting an even current density distribution during battery operation, and a fuel cell using the same.

세계 에너지 수요가 산업의 발전과 인구증가에 따라 계속 증가하는 추세에 있으나 현재 주요 에너지원인 석유 등 자원의 고갈과 함께 환경오염에 따른 지구온난화 등의 문제로 인해 친환경적이면서 충분한 부존자원이 확보된 대체에너지의 개발이 시급한 실정이다.Global energy demand continues to increase with industrial development and population growth, but is now an alternative energy source that is eco-friendly and has sufficient resources due to depletion of resources such as oil and global warming due to environmental pollution. Is urgently needed.

이러한 대체에너지로 태양, 풍력, 조력 등 여러 가지가 개발, 상용화되고 있으나, 최근에 자연 도처에 풍부하게 산재되어 있는 수소를 이용한 연료전지가 친환경적인 미래 대체 에너지로 관심이 집중되고 있는 추세이다.Various alternatives such as solar, wind power, and tidal power have been developed and commercialized as such alternative energy, but recently, fuel cells using hydrogen, which are scattered in abundance in nature, are attracting attention as an environmentally friendly future alternative energy.

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

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

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

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 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 to a catalyst of the anode electrode, and the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. Reaching the cathode electrode, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode electrode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode to generate electricity while producing water.

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

상술한 연료 전지에서는 산화/환원 반응을 활성화하기 위하여 일반적으로 Pt, Ru 등과 같은 귀금속 촉매를 전극 기재에 도포한다. 반응물과 생성물이 유로를 따라 전극 기재 전체 면적을 이동하면서, 전극에서 생성되는 전류는 전극의 위치별로 차이가 생기고, 이로써 위치별 전류밀도 분포가 다르게 나타난다. 전류밀도 분포의 차이는 연료 전지의 위치별 촉매의 이용률을 다르게 하여 연료 전지의 작동 효율을 저하시키며, 때로는 연료 전지의 조업시 부식 조건을 만들어내기도 한다. 따라서 연료 전지 조업시의 고른 전류밀도 분포는 연료 전지의 효율 및 내구성을 높이기 위하여 고려될 필요가 있다.In the above-described fuel cell, in order to activate the oxidation / reduction reaction, a noble metal catalyst such as Pt and Ru is generally applied to the electrode substrate. As the reactants and the product move the entire area of the electrode substrate along the flow path, the current generated in the electrode is different according to the position of the electrode, whereby the current density distribution for each position is different. Differences in the current density distributions result in different utilization rates of catalysts for different locations of the fuel cell, thereby lowering the fuel cell operating efficiency and sometimes creating corrosion conditions during operation of the fuel cell. Therefore, even current density distribution in fuel cell operation needs to be considered in order to improve the efficiency and durability of a fuel cell.

본 발명자들은 연료 전지 조업시의 고른 전류밀도 분포를 나타낼 수 있는 방법에 대한 예의 연구를 거듭하였고, 연료 전지의 막-전극 어셈블리의 제조시의 전극 기재에 촉매의 양을 특정 위치에 따라 다르게 도포하는 경우 연료 전지의 조업시 고른 전류밀도 분포를 나타내어 연료 전지의 효율 및 내구성을 높일 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
The present inventors have intensively studied how to exhibit an even current density distribution in a fuel cell operation, and apply the amount of catalyst to an electrode substrate in the manufacture of a membrane-electrode assembly of a fuel cell differently according to a specific position. In this case, it was found that the current density distribution during the operation of the fuel cell can be improved, thereby improving the efficiency and durability of the fuel cell.

본 발명의 목적은 애노드 전극 및 캐소드 전극의 전극 기재에 도포되는 촉매의 양을 위치별로 달리하여 제조함으로써 연료 전지 조업시의 고른 전류밀도 분포를 나타낼 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a fuel cell membrane-electrode assembly capable of exhibiting an even current density distribution in a fuel cell operation by manufacturing by varying the amount of catalyst applied to the electrode substrate of the anode electrode and the cathode electrode by position. .

본 발명의 다른 목적은 연료 전지 조업시의 고른 전류밀도 분포를 나타내어 성능 및 내구성이 향상된 연료 전지를 제공하는 데 있다.
Another object of the present invention is to provide a fuel cell having improved performance and durability by exhibiting an even current density distribution during fuel cell operation.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질막을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리로서, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극의 전극 기재 및 상기 전극 기재에 도포된 촉매를 포함하며, 상기 전극 기재의 연료 또는 산화제의 유로의 방향이 전환되는 유로 방향 전환부 및 상기 유로 방향 전환부로부터 소정 거리 내에 위치한 인접부에는 상기 전극 기재의 다른 부분보다 단위면적 당 촉매 도포량이 더 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising 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, the anode electrode and the cathode electrode An electrode base material and a catalyst applied to the electrode base material, wherein the flow path direction change part for changing the direction of the flow path of the fuel or the oxidant of the electrode base part and the adjacent portion located within a predetermined distance from the flow path direction change part Provided is a membrane-electrode assembly for a fuel cell, characterized in that the amount of catalyst applied per unit area is greater than that of the other parts of.

상기 인접부는 상기 유로 방향 전환부로부터 5 cm 내에 위치한 부분을 포함하는 것이 바람직하다.Preferably, the adjacent portion includes a portion located within 5 cm from the flow path turning portion.

상기 유로 방향 전환부 및 인접부에는 0.1 내지 10 mg/cm2의 촉매가 도포되며, 상기 전극 기재의 다른 부분에는 0.05 내지 5 mg/cm2의 촉매가 도포되는 것이 바람직하다.It is preferable that a catalyst of 0.1 to 10 mg / cm 2 is applied to the flow path direction changing portion and the adjacent portion, and 0.05 to 5 mg / cm 2 of the catalyst is applied to the other portion of the electrode substrate.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 전해질막은 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 등의 수소 이온 전도성기를 갖는 고분자 수지를 사용하여 제조된 것을 사용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane can be prepared by using a polymer resin having a hydrogen ion conductive group such as sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group.

상기 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 및 이들을 조합한 것을 사용할 수 있다.The catalyst is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, One or more transition metals selected from the group consisting of Zn, Sn, Mo, W, Rh and Ru) and combinations thereof.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 촉매는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택되는 비전도성 화합물과 함께 전극 기재에 도포될 수 있다.In one embodiment of the invention, the catalyst is a polymer resin and polytetrafluoroethylene having a cation exchange group 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 ( PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinylether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylene Chlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dodecylbenzenesulfonic acid and sorbitol (Sorbitol) It may be applied to the electrode substrate with the nonconductive compound of choice.

본 발명은 또한, 유로가 형성된 분리판 및 촉매가 도포된 전극 기재를 포함하며, 상기 유로의 방향이 전환되는 지점과 대응하는 상기 전극 기재의 유로 방향 전환부 및 상기 유로 방향 전환부로부터 소정 거리 내에 위치한 인접부에는 상기 전극 기재의 다른 부분보다 단위면적 당 촉매 도포량이 더 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also includes a separator plate on which a flow path is formed and an electrode substrate on which a catalyst is applied, and within a predetermined distance from the flow path direction changing portion and the flow path direction changing portion of the electrode substrate corresponding to a point where the direction of the flow path is changed. Located adjacent to provide a fuel cell membrane-electrode assembly, characterized in that the amount of catalyst applied per unit area is larger than the other parts of the electrode substrate.

본 발명은 상술한 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 분리판 및 앤드 플레이트를 포함하는 연료 전지용 스택을 제공한다.The present invention provides a fuel cell stack comprising the above-described fuel cell membrane-electrode assembly, separator and end plate.

또한, 본 발명은 상기 연료 전지용 스택을 포함하여 구성된 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC) 또는 직접메탄올 연료 전지(DMFC)를 제공한다.
The present invention also provides a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) or a direct methanol fuel cell (DMFC) including the fuel cell stack.

본 발명은 연료 전지 조업시의 연료 전지의 위치별 촉매의 이용률을 균일하게 하여 연료 전지의 성능을 향상시키고, 연료 전지의 장기운전시 발생될 수 있는 MEA 상의 위치에 따른 불균일한 성능 저하를 줄임으로써 내구성 또한 향상된 연료전지를 제공할 수 있다.
The present invention improves the performance of the fuel cell by making the utilization rate of the catalyst for each position of the fuel cell uniform during fuel cell operation, and reduces the uneven performance degradation caused by the position on the MEA which may occur during long-term operation of the fuel cell. Durability can also provide improved fuel cells.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지용 단위 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지에서 사용하는 분리판에 형성된 연료의 유로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극의 제조에 사용되는 전극 기재를 1 내지 49개로 구획한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극 제조시 캐소드 전극의 전극 기재의 위치에 따라 도포한 촉매의 양을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1에 따라 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극 제조시 캐소드 전극의 전극 기재의 위치에 따라 도포한 촉매의 양을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 비교예 2에 따라 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극 제조시 캐소드 전극의 전극 기재의 위치에 따라 도포한 촉매의 양을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 비교예 3에 따라 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극 제조시 캐소드 전극의 전극 기재의 위치에 따라 도포한 촉매의 양을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 시험예 1에서 공기극의 반응물 유량은 화학적 이론 양(λ 로 표시) 대비 2배, 3배 및 5배로 주입하고 2 A의 전류를 인가한 후, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 4에서 제조한 막-전극 어셈블리를 포함한 단위 전지의 전류 분포를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 시험예 1에서 공기극의 반응물 유량은 화학적 이론 양(λ 로 표시) 대비 2배, 3배 및 5배로 주입하고 2 A의 전류를 인가한 후, 실시예 1 및 비교예 4에서 제조한 막-전극 어셈블리를 포함한 단위 전지의 전류 분포를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 시험예 1에서 공기극의 반응물 유량은 화학적 이론 양(λ 로 표시) 대비 2배, 3배 및 5배로 주입하고 2 A의 전류를 인가한 후, 비교예 3 및 비교예 4에서 제조한 막-전극 어셈블리를 포함한 단위 전지의 전류 분포를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 시험예 1에서 공기극의 반응물 유량은 화학적 이론 양(λ 로 표시) 대비 2배로 주입하고 5 A의 전류를 인가한 후, 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 4에서 제조한 막-전극 어셈블리를 포함한 단위 전지의 전류 분포를 측정하여 비교한 그래프이다.
도 12는 상기 도 8 내지 도 10의 결과로부터 공기극의 반응물 유량 함수에 따른 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 4에서 제조한 막-전극 어셈블리를 포함한 단위 전지의 전류 분포의 표준 편차 및 하프-섬 라티오(half-sum ratio)를 나타낸 그래프이다.1 is a view schematically showing the structure of a unit cell for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a view schematically showing a flow path of a fuel formed in a separator plate used in a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing 1 to 49 electrode substrates used for the production of the anode electrode and the cathode electrode of the membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention.
4 is a view schematically showing the amount of the catalyst applied according to the position of the electrode substrate of the cathode electrode when manufacturing the cathode electrode of the membrane-electrode assembly according to Example 1 of the present invention.
5 is a view schematically showing the amount of the catalyst applied according to the position of the electrode substrate of the cathode electrode in the preparation of the cathode electrode of the membrane-electrode assembly according to Comparative Example 1 of the present invention.
6 is a view schematically showing the amount of the catalyst applied according to the position of the electrode substrate of the cathode electrode in the preparation of the cathode electrode of the membrane-electrode assembly according to Comparative Example 2 of the present invention.
7 is a view schematically showing the amount of the catalyst applied according to the position of the electrode substrate of the cathode electrode when the cathode electrode of the membrane electrode assembly according to Comparative Example 3 of the present invention.
FIG. 8 is a flow rate of the reactant of the cathode in Test Example 1 according to the present invention is injected 2 times, 3 times, and 5 times compared to a chemical theoretical amount (denoted by λ) and after applying a current of 2 A, Comparative Example 1, Comparative Example 2 is a graph showing the current distribution of unit cells including the membrane-electrode assembly prepared in Comparative Example 4 and measured.
FIG. 9 is a test sample 1 according to the present invention, the reactant flow rate of the cathode is injected 2 times, 3 times, and 5 times compared to a chemical theoretical amount (denoted by λ), and after applying a current of 2 A, Example 1 and Comparative Example 4 is a graph showing the current distribution of the unit cell including the membrane-electrode assembly prepared in FIG. 4.
10 is a flow rate of the reactant of the cathode in Test Example 1 according to the present invention is injected 2 times, 3 times, and 5 times the chemical theoretical amount (indicated by λ) and after applying a current of 2 A, Comparative Example 3 and Comparative Example 4 is a graph showing the current distribution of the unit cell including the membrane-electrode assembly prepared in FIG. 4.
FIG. 11 is a flow rate of reactant of the cathode in Test Example 1 according to the present invention is twice as large as the theoretical theoretical amount (indicated by λ), and a current of 5 A is applied, and in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 A graph comparing current distribution of unit cells including the prepared membrane-electrode assembly was measured.
FIG. 12 shows the standard deviation and half- of the current distribution of the unit cell including the membrane-electrode assembly prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 according to the reactant flow rate function of the cathode from the results of FIGS. 8 to 10. A graph showing island half-sum ratio.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질막을 포함하여 구성된다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell according to the present invention includes an anode electrode and a cathode electrode which are positioned to face each other, and an electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리(10)는 애노드 전극(11), 전해질막(12) 및 캐소드 전극(13)을 포함하여 구성되며, 상기 애노드 전극(11)의 상부에는 연료 유로(21)가 형성된 분리판(20)이 위치하며 상기 캐소드 전극(13)의 하부에 산화제 유로(22)가 형성된 분리판(20)이 위치한다.Referring to FIG. 1, the fuel cell membrane-electrode assembly 10 according to the present invention includes an anode electrode 11, an electrolyte membrane 12, and a cathode electrode 13. A separator plate 20 having a fuel passage 21 is positioned at an upper portion thereof, and a separator plate 20 having an oxidant passage 22 formed at a lower portion of the cathode electrode 13 is positioned.

연료 유로(21) 및 산화제 유로(22)는 연료 및 산화제가 전극(11, 13)의 전체 면에 전달되도록 하기 위하여 유로의 방향이 지그재그 형태로 반복 전환되도록 형성된다. 이러한 구성에 의해 유로가 꺾이는 부분 및 그 주변부에는 물 배출이 용이하지 않아 생성되는 전류 밀도가 낮아지게 되고, 전류 밀도가 높은 부분은 촉매가 상대적으로 많은 일을 하여 장기 운전시 성능저하가 균일하지 않게 되며 연료전지의 내구성이 저하될 수 있다.The fuel flow passage 21 and the oxidant flow passage 22 are formed so that the direction of the flow passage is repeatedly switched in a zigzag form so that the fuel and the oxidant are transferred to the entire surfaces of the electrodes 11 and 13. Due to this configuration, water flow is not easy at the portion where the flow path is bent and its periphery, so that the current density generated is low. In the high current density, the catalyst does a lot of work so that the performance is not uniform during long-term operation. The durability of the fuel cell may be lowered.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 전극 기재에 도포되는 촉매의 도포량을 위치별로 조절한다. 즉, 전극 기재에서 분리판(20)의 유로가 꺾이는 부분과 대응하는 부분을 유로 방향 전환부로 정의하고, 이 유로 방향 전환부와 유로 방향 전환부로부터 소정 거리 내에 위치한 인접부에는 전극 기재의 다른 부분보다 단위면적 당 촉매 도포량을 더 크게 하여 생성되는 전류 밀도를 전체적으로 균일하게 조절한다. 이를 통해 전지 효율 및 내구성을 향상시킬 수 있다.In order to solve this problem, the present invention adjusts the application amount of the catalyst applied to the electrode substrate for each position. That is, a portion corresponding to a portion where the flow path of the separating plate 20 is bent in the electrode base material is defined as a flow path direction switching part, and another part of the electrode base material is located at an adjacent part located within a predetermined distance from the flow path direction switching part and the flow path direction switching part. The greater the coating amount of the catalyst per unit area, the more uniformly the resulting current density is controlled. This can improve battery efficiency and durability.

여기서 인접부는 유로 방향 전환부로부터 5 cm 내에 위치한 부분을 포함하도록 설정하는 것이 바람직하다. 다만, 인접부는 유로 방향 전환부로부터 5 cm 이내에 있는 부분으로 일률적으로 정해지는 것은 아니며, 촉매 도포 작업의 효율성을 고려하여 적정 범위 내에서 증감될 수 있다.Preferably, the adjacent portion is set to include a portion located within 5 cm from the flow path turning portion. However, the adjacent part is not uniformly determined as a part within 5 cm from the flow path changing part, and may be increased or decreased within an appropriate range in consideration of the efficiency of the catalyst coating operation.

이처럼 촉매의 도포량을 위치별로 조절함에 있어서, 유로 방향 전환부 및 인접부에는 0.1 내지 10 mg/cm2의 촉매가 도로되고, 상기 전극 기재의 다른 부분에는 0.05 내지 5 mg/cm2의 촉매가 도포되도록 하는 것이 바람직하다.As described above, in adjusting the application amount of the catalyst for each position, a catalyst of 0.1 to 10 mg / cm 2 is applied to the flow path direction changing part and the adjacent part, and a catalyst of 0.05 to 5 mg / cm 2 is applied to the other part of the electrode substrate. It is desirable to.

위와 같이 유로 방향 전환부 및 인접부의 촉매 도포량을 증대시킨 구조는 애노드 전극 및 캐소드 전극에 모두 적용할 수도 있으나, 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 하나의 전극에 대하여 적용할 수도 있다.
As described above, the structure in which the amount of application of the catalyst to the flow path direction switching unit and the adjacent unit is increased may be applied to both the anode electrode and the cathode electrode, but may be applied to one of the anode electrode and the cathode electrode.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지에서 사용하는 분리판에 형성된 연료의 유로를 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a view schematically showing a flow path of a fuel formed in a separator plate used in a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 2의 분리판을 예로 살펴 보면, 유로가 좌우 방향으로 지그재그 형태로 반복 전환되도록 형성된다. 이에 따라, 좌우측 단에서는 유로가 꺾이는 형태로 구성되고, 이 부분 및 주변부에서는 유로의 흐름이 원활하게 이루어지지 않게 된다. 따라서, 이 부분들과 접하는 전극 기재의 유로 방향 전환부 및 인접부에는 다른 부분에 비해 촉매 도포량을 늘려서 전극에서 발생하는 전류 밀도를 위치에 관계 없이 균일하게 할 수 있다.Referring to the separation plate of FIG. 2 as an example, the flow path is formed to be repeatedly switched in a zigzag form in the left and right directions. As a result, the flow path is configured to be bent at the left and right ends, and the flow path is not smoothly formed at this portion and the peripheral portion. Therefore, the amount of catalyst applied to the flow path direction switching portion and the adjacent portion of the electrode substrate in contact with these portions can be increased compared to the other portions to make the current density generated in the electrode uniform regardless of the position.

본 발명에서 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 및 이들을 조합한 것을 사용할 수 있으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 연료 전지에 통상적으로 사용되는 것으로 알려진 촉매를 제한없이 사용할 수 있다.In the present invention, the catalyst is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, At least one transition metal selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, and Ru) and combinations thereof, but are known to be commonly used in fuel cells in the art. Catalysts can be used without limitation.

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 상용화되어 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. Such a metal catalyst may be used as a metal catalyst itself (black) or may be supported on a carrier. Examples of the carrier include carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, or activated carbon, or alumina, silica, zirconia, Titania, or the like 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 a noble metal supported on the carrier may be prepared and used.

이와 같이 애노드 전극(11)과 캐소드 전극(13)의 촉매층 형성시 사용되는 촉매로는 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 촉매로 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 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.As such, the same material may be used as the catalyst used for forming the catalyst layer between the anode electrode 11 and the cathode electrode 13, but in a direct oxidation fuel cell, catalyst poisoning due to CO generated during the anode electrode reaction occurs. In order to prevent this, a platinum-ruthenium alloy catalyst is more preferred as an anode 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 One or more selected from the group consisting of / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, and Pt / Ru / Sn / W can be used.

상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. The catalyst layer may further include a binder resin for improving the adhesion of the catalyst layer and the transfer of hydrogen ions.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸[poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. It is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder resin, more preferably a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. Any polymer resin which has can be used. Preferably, a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether One or more hydrogen ion conductive polymers selected from ether ketone polymers or polyphenylquinoxaline polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazoles [poly ( 2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole] or poly (2,5-benzimidazole) may be used including one or more hydrogen ion conductive polymers.

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, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.The hydrogen ion conductive polymer may replace H with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in a cation exchanger at the side chain terminal. In case of replacing H with Na in the side chain terminal ion exchanger, NaOH is substituted for the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is substituted for tetrabutylammonium, and K, Li or Cs may be substituted with appropriate compounds. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다. The binder resin may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used with a nonconductive compound for the purpose of further improving adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the usage-amount so that it may be suitable for a purpose of use.

상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.Examples of the non-conductive compound include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / tetrafluoro Ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dode At least one selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid and sorbitol is more preferred.

상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있게 하는 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 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrate serves to support the electrode and to diffuse the fuel and oxidant to the catalyst layer to make the fuel and oxidant easily accessible 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 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다. In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material because it can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, 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 더 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. In addition, a microporous layer may be further included to enhance the reactant diffusion effect in the electrode substrate. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. The binder resin may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate Or copolymers thereof and the like can be preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. may be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 전해질막(12)으로는 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체 등의 수소 이온 전도성기를 갖는 고분자 수지를 사용하여 제조된 것을 사용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane 12 may be prepared by using a polymer resin having a hydrogen ion conductive group such as sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof. have.

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 있다. 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 있으나, 이에 제한되지 않는다. 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 ethers containing sulfonic acid groups, defluorination Sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly [(2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole] [poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5 '-bibenzimidazole] or poly (2,5-benzimidazole) may be, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상술한 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 분리판 및 앤드 플레이트를 포함하는 연료 전지용 스택을 제공한다.The present invention also provides a fuel cell stack comprising the above-described fuel cell membrane-electrode assembly, separator and end plate.

또한, 본 발명은 상기 연료 전지용 스택을 포함하여 구성된 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC) 또는 직접메탄올 연료 전지(DMFC)를 제공한다.
The present invention also provides a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) or a direct methanol fuel cell (DMFC) including the fuel cell stack.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.

[실시예 1]Example 1

PtRu 블랙(HiSpec 6000TM, Johnson Matthey)에 5 중량%의 Nafion4 용액을 90:10 중량비로 첨가하여 애노드 전극의 촉매층을 형성하기 위한 촉매 슬러리를 제조하였고, Pt 블랙(HiSpec 1000TM, Johnson Matthey)에 7 중량%의 Nafion4 용액을 90:10 중량비로 첨가하여 캐소드 전극의 촉매층을 형성하기 위한 촉매 슬러리를 제조하였다. 이후 애노드 전극 및 캐소드 전극의 전극 기재를 도 3에 나타난 바와 같이 애노드 전극의 입출입구(연료의 입출입구) 및 캐소드 전극의 입출입구(산화제의 입출입구)에 따라 1 내지 49의 번호로 구획한 후, 캐소드 전극의 전극 기재(SGL의 기체 확산층 카본 페이퍼; Sigracet)에서 유로가 꺾이는 구간(도 3의 1, 2, 6 내지 9, 13 내지 15, 20 내지 23, 27 내지 30, 36, 37, 41 내지 44, 48, 49)에 Pt 블랙의 촉매 평균 도포량이 5 mg/cm2가 되도록 촉매 슬러리를 도포하였고, 유로가 꺾이는 부분 이외의 나머지 구간에 Pt 블랙의 촉매 평균 도포량이 3 mg/cm2가 되도록 촉매 슬러리를 도포하였다. 이후 애노드 전극의 전극 기재(Telfon이 처리된 탄소 종이; (TGP-H-060, Toray Co.)) 상에 PtRu 블랙의 촉매 평균 도포량이 4 mg/cm2가 되도록 촉매 슬러리를 전극 기재 전체에 도포하였다. 다음으로, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 전해질막으로 Nafion 115(DuPont)를 배치한 후, 단위면적당 70 kg/cm2의 압력으로 150 ℃에서 1분간 핫프레싱하여 25 cm2 면적의 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극에서 위치별로 달리한 촉매 평균 도포량을 표시하여 도 4에 나타내었다.
A catalyst slurry for the formation of the catalyst layer of the anode electrode was prepared by adding 5 wt% Nafion4 solution to PtRu black (HiSpec 6000 ™ , Johnson Matthey) in a 90:10 weight ratio, to Pt black (HiSpec 1000 ™ , Johnson Matthey). A catalyst slurry for forming the catalyst layer of the cathode electrode was prepared by adding 7 wt% Nafion 4 solution in a 90:10 weight ratio. Thereafter, the electrode substrates of the anode electrode and the cathode electrode are partitioned into numbers of 1 to 49 according to the inlet and outlet of the anode electrode (inlet and outlet of the fuel) and the inlet and outlet of the cathode electrode (inlet and outlet of the oxidant) as shown in FIG. , The section where the flow path is bent in the electrode substrate (SGL gas diffusion layer carbon paper; Sigracet) of the cathode electrode (1, 2, 6 to 9, 13 to 15, 20 to 23, 27 to 30, 36, 37, 41 in FIG. To 44, 48, and 49), the catalyst slurry was applied so that the average coating amount of Pt black was 5 mg / cm 2 , and the average coating amount of Pt black was 3 mg / cm 2 in the remaining sections except for the passages. The catalyst slurry was applied as possible. Then, the catalyst slurry is applied to the entire electrode substrate such that the average coating amount of PtRu black is 4 mg / cm 2 on the electrode substrate (Telfon-treated carbon paper; (TGP-H-060, Toray Co.)) of the anode electrode. It was. Next, after placing Nafion 115 (DuPont) as an electrolyte membrane between the anode electrode and the cathode electrode, the film-electrode having a 25 cm 2 area by hot pressing at 150 ℃ for 1 minute at a pressure of 70 kg / cm 2 per unit area The assembly was prepared. 4 shows the average coating amount of the catalyst, which is different for each position in the cathode of the membrane electrode assembly.

[비교예 1]Comparative Example 1

캐소드 전극의 전극 기재의 상단부(도 3에서 1 내지 49로 구획된 부분 중 1 내지 28로 표시된 구간)에는 Pt 블랙의 촉매 평균 도포량이 3 mg/cm2가 되도록 촉매 슬러리를 도포하였고, 캐소드 전극의 전극 기재의 상단부(도 3에서 1 내지 49로 구획된 부분 중 28 내지 49 표시된 구간)에는 Pt 블랙의 촉매 평균 도포량이 5 mg/cm2가 되도록 촉매 슬러리를 도포하여 캐소드 전극을 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극에서 위치별로 달리한 촉매 평균 도포량을 표시하여 도 5에 나타내었다.
The catalyst slurry was applied to the upper portion of the electrode substrate of the cathode electrode (sections indicated by 1 to 28 of the sections partitioned from 1 to 49 in FIG. 3) such that the average coating amount of Pt black was 3 mg / cm 2 . Except that the cathode electrode was prepared by applying a catalyst slurry so that the average coating amount of Pt black was 5 mg / cm 2 at the upper end of the electrode substrate (sections 28 to 49 of 1 to 49 partitioned in FIG. 3). A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1. 5 shows the average coating amount of the catalyst, which is different for each position in the cathode of the membrane-electrode assembly.

[비교예 2]Comparative Example 2

캐소드 전극의 전극 기재의 상단부(도 3에서 1 내지 49로 구획된 부분 중 1 내지 28로 표시된 구간)에는 Pt 블랙의 촉매 평균 도포량이 2 mg/cm2가 되도록 촉매 슬러리를 도포하였고, 캐소드 전극의 전극 기재의 상단부(도 3에서 1 내지 49로 구획된 부분 중 28 내지 49 표시된 구간)에는 Pt 블랙의 촉매 평균 도포량이 6 m2가 되도록 촉매 슬러리를 도포하여 캐소드 전극을 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극에서 위치별로 달리한 촉매 평균 도포량을 표시하여 도 6에 나타내었다.
The catalyst slurry was applied to the upper end of the electrode substrate of the cathode electrode (sections indicated by 1 to 28 of the sections 1 to 49 in FIG. 3) so that the average coating amount of Pt black was 2 mg / cm 2 . Except that the cathode electrode was prepared by applying a catalyst slurry to the upper end of the electrode substrate (sections 28 to 49 of the sections 1 to 49 in Fig. 3) so that the average coating amount of Pt black is 6 m 2 The same procedure as in 1 was conducted to prepare a membrane-electrode assembly. 6 shows the average coating amount of the catalyst, which is different for each position in the cathode of the membrane electrode assembly.

[비교예 3][Comparative Example 3]

캐소드 전극의 전극 기재의 상단부(도 3에서 1 내지 49로 구획된 부분 중 1 내지 28로 표시된 구간)에는 Pt 블랙의 촉매 평균 도포량이 5 mg/cm2가 되도록 촉매 슬러리를 도포하였고, 캐소드 전극의 전극 기재의 상단부(도 3에서 1 내지 49로 구획된 부분 중 28 내지 49 표시된 구간)에는 Pt 블랙의 촉매 평균 도포량이 3 mg/cm2가 되도록 촉매 슬러리를 도포하여 캐소드 전극을 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극에서 위치별로 달리한 촉매 평균 도포량을 표시하여 도 7에 나타내었다.
The catalyst slurry was applied to the upper portion of the electrode substrate of the cathode electrode (sections indicated by 1 to 28 of the sections partitioned from 1 to 49 in FIG. 3) such that the average coating amount of Pt black was 5 mg / cm 2 . Except that the cathode electrode was prepared by applying a catalyst slurry to the upper end of the electrode substrate (sections 28 to 49 of the sections 1 to 49 in FIG. 3) so that the average coating amount of Pt black was 3 mg / cm 2 . A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1. 7 shows the average coating amount of the catalyst, which is different for each position in the cathode of the membrane electrode assembly.

[비교예 4][Comparative Example 4]

캐소드 전극의 전극 기재의 전체에 Pt 블랙의 촉매 평균 도포량이 4 mg/cm2가 되도록 촉매 슬러리를 도포하여 캐소드 전극을 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1 except that the cathode slurry was prepared by applying a catalyst slurry such that the average coating amount of Pt black was 4 mg / cm 2 over the entire electrode substrate of the cathode electrode. .

시험예Test Example : 막-전극 어셈블리를 포함한 단위 전지의 전류분포 측정: Current distribution measurement of unit cell including membrane electrode assembly

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 4에서 제조한 막-전극 어셈블리를 포함한 단위 전지를 조합한 후, 연료극 쪽에는 1 M의 메탄올을 공기극 쪽에는 공기를 주입하였다. 온도는 60 ℃로 하였고, 연료극의 반응물 유량은 화학적 이론 양 대비 5배로, 공기극의 반응물 유량은 화학적 이론 양(λ 로 표시) 대비 2배, 3배 및 5배로 주입하였고, 정전류 모드에서 2 A의 전류를 인가하여 전류 분포를 측정하여 그 결과를 각각 도 8 내지 10에 나타내었다. After combining the unit cells including the membrane-electrode assemblies prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, 1 M of methanol was injected into the anode and air was injected into the cathode. The temperature was 60 ° C, the reactant flow rate of the anode was 5 times the chemical theoretical amount, and the reactant flow rate of the cathode was injected 2, 3, and 5 times the chemical theoretical amount (denoted by λ). The current distribution was measured by applying a current, and the results are shown in FIGS. 8 to 10, respectively.

또한, 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 4에서 제조한 막-전극 어셈블리를 포함한 단위 전지의 연료극 쪽에는 1 M의 메탄올을 공기극 쪽에는 공기를 주입하고, 온도는 60 ℃로 하였고, 연료극의 반응물 유량은 화학적 이론 양 대비 5배로, 공기극의 반응물 유량은 화학적 이론 양(λ 로 표시) 대비 2배로 주입하였고, 정전류 모드에서 5 A의 전류를 인가하여 전류 분포를 측정하여 그 결과를 도 11에 나타내었다.In addition, 1 M methanol was injected into the anode side of the unit cell including the membrane-electrode assemblies prepared in Examples 1 and Comparative Examples 1 to 4, and air was injected into the cathode side, and the temperature was 60 ° C. The reactant flow rate of was 5 times the amount of chemical theory, and the reactant flow rate of the cathode was injected twice the amount of chemical theory (indicated by λ), and the current distribution was measured by applying a current of 5 A in constant current mode. Shown in

상기 도 8 내지 도 10의 결과로부터 공기극의 반응물 유량 함수에 따른 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 4에서 제조한 막-전극 어셈블리를 포함한 단위 전지의 전류 분포의 표준 편차 및 하프-섬 라티오(half-sum ratio)를 도 12에 나타내었다. 하프-섬 라티오(half-sum ratio)는 캐소드 입구 부근의 전류 밀도에 대한 캐소드 출구 부근의 전류 밀도의 비율을 의미한다.
8 to 10, the standard deviation of the current distribution of the unit cell including the membrane-electrode assembly prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 according to the reactant flow rate function of the cathode, and the half-islet ratio (half-sum ratio) is shown in FIG. Half-sum ratio means the ratio of the current density near the cathode outlet to the current density near the cathode inlet.

도 8을 참조하면, 비교예 1의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지의 전류 분포와 비교예 4의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지의 전류 분포는 미세한 차이가 있으며, 이는 캐소드 출구(cathode outlet) 부근에 도포된 촉매의 양의 차이에 기인한 것이다. 비교예 1의 막-전극 어셈블리에서 캐소드 전극의 전극 기재 하단부에는 비교예 4보다 많은 촉매(5 mg/cm2)가 도포되어 캐소드 출구에서 보다 반응 비율이 증가하기 때문에 비교예 4와 비교할 때 캐소드 출구에서의 전류 밀도가 높게 나타난다. 또한 비교예 2의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지의 전류 분포는 비교예 4에 비해 전류 분포가 불균일하게 나타나며, 이는 비교예 2의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지의 전압이 낮기 때문이다. 이러한 현상은 비교예 2의 막-전극 어셈블리에서 캐소드 전극의 하단부에 과도하게 두꺼운 촉매층(6 mg/cm2)이 형성된 것에 기인한 것이며, 상기 캐소드 전극의 상단부와 하단부의 촉매층 두께의 편차가 크기 때문에 촉매층, 가스 분산층 및 전해질막 사이의 접촉이 잘 이루어지지 않는 데 기인한 것으로 판단된다. 이와 같이 캐소드 전극의 촉매층이 과도하게 두꺼운 경우 물질 전달에 장애가 되며, 촉매층을 통한 산소의 전달 또한 방해를 받고 물이 용이하게 제거되지 않을 수 있는 문제점이 있다.Referring to FIG. 8, there is a slight difference between the current distribution of the unit cell including the membrane-electrode assembly of Comparative Example 1 and the current distribution of the unit cell including the membrane-electrode assembly of Comparative Example 4, which is a cathode outlet. This is due to the difference in the amount of catalyst applied in the vicinity. In the membrane-electrode assembly of Comparative Example 1, more catalysts (5 mg / cm 2 ) were applied to the lower end of the electrode substrate of the cathode electrode than Comparative Example 4, so that the reaction rate was increased than at the cathode outlet. High current density at. In addition, the current distribution of the unit cell including the membrane-electrode assembly of Comparative Example 2 is uneven compared to that of Comparative Example 4, because the voltage of the unit cell including the membrane-electrode assembly of Comparative Example 2 is low. This phenomenon is due to the formation of an excessively thick catalyst layer (6 mg / cm 2 ) at the lower end of the cathode in the membrane-electrode assembly of Comparative Example 2, because of the large variation in the thickness of the catalyst layer at the upper end and the lower end of the cathode electrode. It is believed that this is due to poor contact between the catalyst layer, the gas dispersion layer, and the electrolyte membrane. As such, when the catalyst layer of the cathode electrode is excessively thick, there is a problem in mass transfer, and there is a problem that the transfer of oxygen through the catalyst layer is also disturbed and water may not be easily removed.

도 9를 참조하면, 실시예 1의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지에 대해 측정한 전류 분포는 전체적으로 고르게 나타났으며, 낮은 공기 유동률에서도 현저하게 개선된 것으로 나타났다. 유로를 통해 공기가 캐소드 출구로 이동함에 따라 산소 질량 분율이 감소하여도 유로가 U 형태로 굽은 곳에 도포된 촉매량이 많이 때문에 그 부근에서의 촉매 활성 부분이 증가될 수 있으며, 촉매 활성 부분이 증가하는 경우 캐소드 출구 부근에서 전류 밀도가 감소되는 것을 방지할 수 있다.Referring to FIG. 9, the current distribution measured for the unit cell including the membrane-electrode assembly of Example 1 was shown to be uniform throughout, and was significantly improved even at a low air flow rate. Even though the oxygen mass fraction decreases as the air moves to the cathode outlet through the flow path, the catalytically active portion in the vicinity may increase due to the large amount of catalyst applied to the bend in the U-shape. In this case, the current density can be prevented from being reduced near the cathode outlet.

도 10을 참조하면, 비교예 3의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지에 대해 측정한 전류 분포가 비교예 4에 비해 균일한 것을 알 수 있다. 비교예 3의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지에서 캐소드 출구 부근에서의 촉매의 양이 감소하였으나 산소 전달율은 향상되었다. Referring to FIG. 10, it can be seen that the current distribution measured for the unit cell including the membrane-electrode assembly of Comparative Example 3 is more uniform than that of Comparative Example 4. In the unit cell including the membrane-electrode assembly of Comparative Example 3, the amount of catalyst near the cathode outlet was decreased, but the oxygen transfer rate was improved.

도 11을 참조하면, 비교예 4의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지의 전류 밀도는 공기 유동률과 관계없이 균일한 분포를 나타내었다. 높은 인가 전류(5 A)에서 촉매의 양의 변화에 따라 전류 분포의 균일도가 전체적으로 향상되지는 않은 것으로 측정되었다. 실시예 1의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지의 전류 밀도는 캐소드 출구 방향으로 약간 증가하는 것으로 나타났다. 도 11로부터 실시예 1의 의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지는 낮은 공기 유동률 및 낮은 인가 전압에서도 고른 전류 분포를 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 11, the current density of the unit cell including the membrane-electrode assembly of Comparative Example 4 showed a uniform distribution regardless of the air flow rate. It was determined that the uniformity of the current distribution did not improve as a whole with the change of the amount of catalyst at high applied current (5 A). The current density of the unit cell including the membrane-electrode assembly of Example 1 was found to slightly increase in the cathode exit direction. It can be seen from FIG. 11 that the unit cell including the membrane-electrode assembly of Example 1 can maintain an even current distribution even at a low air flow rate and a low applied voltage.

도 12를 참조하면, 인가 전류 2 A에서 비교예 1, 실시예 1 및 비교예 3의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지의 표준 편차는 비교예 4의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지의 표준 편차에 비해 낮게 나타났다. 이 중 실시예 1의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지의 표준 편차가 낮은 공기 유동률에서 가장 낮게 나타났으며, 비교예 1, 비교예 3 및 비교예４의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지에서 측정된 전류 분포의 표준 편차는 인가 전류 5 A에서 서로 별다른 차이가 나타나지 않았다. 인가 전류 2 A 및 5 A에서 비교예 1, 비교예 3 및 비교예 4의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지에서 측정된 하프-섬 라티오는 서로 유사한 값을 나타내었고, 실시예 1의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지에서 측정된 하프-섬 라티오가 가장 높게 나타났으며, 비교예 2의 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지에서 측정된 하프-섬 라티오가 가장 낮게 나타났다.Referring to FIG. 12, the standard deviation of the unit cell including the membrane-electrode assembly of Comparative Example 1, Example 1 and Comparative Example 3 at the applied current 2 A is the standard deviation of the unit cell including the membrane-electrode assembly of Comparative Example 4 Appeared lower than. Among them, the standard deviation of the unit cell including the membrane-electrode assembly of Example 1 was the lowest at the low air flow rate, and was measured in the unit cell including the membrane-electrode assembly of Comparative Examples 1, 3 and 4. The standard deviations of the current distributions did not differ significantly from the applied current 5 A. At the applied currents 2 A and 5 A, the half-islet ratios measured in the unit cell including the membrane-electrode assemblies of Comparative Example 1, Comparative Example 3 and Comparative Example 4 showed similar values, and the membrane-electrode of Example 1 The half-sum lathio measured in the unit cell containing the assembly was the highest, and the half-sum lathio measured in the unit cell including the membrane-electrode assembly of Comparative Example 2 was the lowest.

상기 도 8 내지 도 12를 참조하여 설명한 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지가 낮은 공기 유동률 및 낮은 인가 전압에서도 고른 전류 분포를 나타냄을 알 수 있고, 이러한 특성으로 실시예 1에 따라 제조된 막-전극 어셈블리를 포함한 단위전지가 적층된 연료 전지는 효율 및 내구성이 향상될 수 있음을 알 수 있다.
As described above with reference to FIGS. 8 to 12, it can be seen that the unit cell including the membrane-electrode assembly manufactured according to Example 1 exhibits an even current distribution even at a low air flow rate and a low applied voltage. It can be seen that a fuel cell in which a unit cell including a membrane-electrode assembly manufactured according to Example 1 is stacked may improve efficiency and durability.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 막-전극 어셈블리 11 : 애노드 전극
12 : 전해질막 13 : 캐소드 전극
20 : 분리판 21 : 연료 유로
22 : 산화제 유로Description of the Related Art [0002]
10 membrane-electrode assembly 11 anode electrode
12 electrolyte membrane 13 cathode electrode
20: separator 21: fuel flow path
22: oxidant flow path

Claims (15)

서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질막을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리로서,
상기 애노드 전극과 캐소드 전극의 전극 기재 및 상기 전극 기재에 도포된 촉매를 포함하며,
상기 전극 기재의 연료 또는 산화제의 유로의 방향이 전환되는 유로 방향 전환부 및 상기 유로 방향 전환부로부터 소정 거리 내에 위치한 인접부에는 상기 전극 기재의 다른 부분보다 단위면적 당 촉매 도포량이 더 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
A membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising an anode electrode and a cathode electrode which are positioned to face each other and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode,
An electrode substrate of the anode electrode and the cathode electrode and a catalyst applied to the electrode substrate,
The amount of catalyst applied per unit area is greater in the flow path direction diverting portion in which the direction of the flow path of the fuel or the oxidant of the electrode base is changed and the adjacent portion located within a predetermined distance from the flow path direction diverting part than other portions of the electrode base material. Membrane-electrode assembly for fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 인접부는 상기 유로 방향 전환부로부터 5 cm 내에 위치한 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
The method of claim 1,
And the adjacent portion includes a portion located within 5 cm from the flow path turning portion.
청구항 1에 있어서,
상기 유로 방향 전환부 및 인접부에는 0.1 내지 10 mg/cm2의 촉매가 도포되며, 상기 전극 기재의 다른 부분에는 0.05 내지 5 mg/cm2의 촉매가 도포되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
The method according to claim 1,
A catalyst of 0.1 to 10 mg / cm 2 is applied to the flow path redirection part and the adjacent part, and a catalyst of 0.05 to 5 mg / cm 2 is applied to another part of the electrode substrate. assembly.
청구항 1에 있어서,
상기 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
The method according to claim 1,
The catalyst is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn And at least one transition metal selected from the group consisting of Sn, Mo, W, Rh and Ru), and a combination thereof.
청구항 4에 있어서,
상기 애노드 전극의 촉매는 백금-루테늄 합금 촉매인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
The method of claim 4,
The anode electrode catalyst is a membrane-electrode assembly for a fuel cell, characterized in that the platinum-ruthenium alloy catalyst.
청구항 1에 있어서,
상기 촉매는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지 및 비전도성 화합물과 함께 전극 기재에 도포되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
The method according to claim 1,
The catalyst is characterized in that the fuel is applied to the electrode substrate with a polymer resin and a non-conductive compound 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 Membrane-electrode assembly for batteries.
청구항 6에 있어서,
상기 비전도성 화합물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
The method of claim 6,
The nonconductive compound is polytetrafluoroethylene (PTFE), tetra fluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinylether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoro Ethylene (ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE)), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymers of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dodecyl Membrane-electrode assembly for a fuel cell, characterized in that selected from the group consisting of benzenesulfonic acid and sorbitol (Sorbitol).
청구항 1에 있어서,
상기 전극 기재는 탄소 페이퍼, 탄소 천, 탄소 펠트 및 금속천으로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 기재인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
The method according to claim 1,
The electrode substrate is a fuel cell membrane-electrode assembly, characterized in that the conductive substrate selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, carbon felt and metal cloth.
청구항 1에 있어서,
상기 전해질막은 수소 이온 전도성기를 갖는 고분자 수지를 사용하여 제조된 것임을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
The method according to claim 1,
The electrolyte membrane is a membrane-electrode assembly for a fuel cell, characterized in that manufactured using a polymer resin having a hydrogen ion conductive group.
청구항 9에 있어서,
상기 수소 이온 전도성기는 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
The method according to claim 9,
Wherein the hydrogen ion conductive group is a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, or a combination thereof.
청구항 9에 있어서,
상기 고분자 수지는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
The method according to claim 9,
The polymer resin may be 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 poly Membrane-electrode assembly for a fuel cell, characterized in that it is selected from the group consisting of ether-ether ketone-based polymer, polyphenylquinoxaline-based polymer and combinations thereof.
유로가 형성된 분리판 및 촉매가 도포된 전극 기재를 포함하며,
상기 유로의 방향이 전환되는 지점과 대응하는 상기 전극 기재의 유로 방향 전환부 및 상기 유로 방향 전환부로부터 소정 거리 내에 위치한 인접부에는 상기 전극 기재의 다른 부분보다 단위면적 당 촉매 도포량이 더 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
A separator formed with a flow path and an electrode substrate coated with a catalyst,
The amount of catalyst applied per unit area is greater in the flow path direction changing portion of the electrode substrate and the adjacent portion located within a predetermined distance from the flow path direction changing portion corresponding to the point where the direction of the flow path is changed. Membrane-electrode assembly for fuel cell.
청구항 1 내지 청구항 12항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 분리판 및 앤드 플레이트를 포함하는 연료 전지용 스택.
13. A fuel cell stack comprising the membrane-electrode assembly, separator and end plate for fuel cell according to any one of claims 1 to 12.
청구항 13에 따른 연료전지용 스택을 포함하여 구성되는 고분자 전해질형 연료 전지.
Polymer electrolyte fuel cell comprising a stack for a fuel cell according to claim 13.
청구항 13에 따른 연료전지용 스택을 포함하여 구성되는 직접메탄올 연료 전지.Direct methanol fuel cell comprising a fuel cell stack according to claim 13.
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