KR20150029586A - Electrode for fuel cell, membrane electrode assembly comprising the same and fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an electrode for fuel cells, a membrane electrode assembly and a fuel cell including the same. In the present invention, provided is an electrode, which improves the performance of fuel cells under high humidity or low humidity conditions. In an embodiment of the present invention, provided is a fuel cell including the membrane electrode assembly where the electrode for fuel cells has effects of improving movement of hydrogen and reactive gas diffusivity in a catalyst layer under high and low humidity conditions.

Description

연료전지용 전극, 이를 포함하는 막전극접합체 및 연료전지 {ELECTRODE FOR FUEL CELL, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY COMPRISING THE SAME AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME} TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an electrode for a fuel cell, a membrane electrode assembly including the electrode, and a fuel cell. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

본 명세서는 2013년 9월 9일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2013-0107939 호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.This specification claims the benefit of Korean Patent Application No. 10-2013-0107939, filed on September 9, 2013, to the Korean Intellectual Property Office, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

본 명세서는 연료전지용 전극, 이를 포함하는 막전극접합체 및 연료전지에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an electrode for a fuel cell, a membrane electrode assembly including the same, and a fuel cell.

최근 휴대용 전자기기 및 무선통신기기의 급격한 보급으로 인해, 휴대용 전원 공급원인 배터리로서의 연료전지 개발, 무공해 자동차용 연료전지 및 청정 에너지원으로서 발전용 연료전지의 개발에 많은 관심과 연구가 진행되고 있다.2. Description of the Related Art In recent years, due to rapid diffusion of portable electronic devices and wireless communication devices, much attention and research have been made on the development of a fuel cell as a portable power source battery, a fuel cell for a pollution-free vehicle, and a fuel cell for power generation as a clean energy source.

연료전지는 연료의 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 즉, 연료전지는 연료가스와 산화제를 사용하고, 이들의 산화환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 전력을 생산하는 발전 방식으로서, 높은 에너지 효율성과 오염물의 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인하여 차세대 에너지원으로 연구 개발되고 있다.Fuel cells are energy conversion devices that convert the chemical energy of a fuel directly into electrical energy. That is, a fuel cell uses a fuel gas and an oxidizing agent and generates electricity using electrons generated during the oxidation / reduction reaction. As a result, the fuel cell has a high energy efficiency and an environment- Research and development.

고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 낮은 작동온도, 고체 전해질 사용으로 인한 누수 문제 배제, 빠른 구동 등의 장점으로 휴대용, 차량용, 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다. 또한 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 100 ℃ 미만의 온도에서 작동되고 구조가 간단하며 빠른 시동과 응답 특성, 및 우수한 내구성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 수소 이외에서 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있다. 뿐만 아니라, 높은 출력 밀도로 소형화가 가능하기 때문에 휴대용 연료전지로의 연구가 계속 진행되고 있다.PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) is attracting attention as a portable, automotive, and household power source because of its advantages such as low operating temperature, leakage problem caused by the use of solid electrolyte, and quick driving. In addition, it is a high-output fuel cell having a higher current density than other types of fuel cells, and is operated at a temperature of less than 100 ° C, has a simple structure, has a fast start-up and response characteristics, and has excellent durability. Can be used as fuel. In addition, miniaturization can be achieved with a high output density, and research on a portable fuel cell continues.

이러한 연료전지의 단위전지 구조는 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 양쪽에 애노드 및 캐소드가 도포되어 있는 구조를 이루고 있는데 이를 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)라고 한다. 이 막 전극 접합체(MEA)는 수소와 산소의 전기화학적 반응이 일어나는 부분으로써 캐소드와 애노드 그리고 전해질막, 즉 이온 전도성 전해질막으로 구성되어 있다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 애노드에서는 연료의 산화 반응이 일어나서 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드로 이동하며, 캐소드에서는 산화제인 산소와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부 회로에 전자의 이동이 발생하게 된다. The unit cell structure of such a fuel cell has a structure in which an anode and a cathode are coated on both sides of an electrolyte membrane composed of a polymer material, which is called a membrane electrode assembly (MEA). This membrane electrode assembly (MEA) is composed of a cathode, an anode, and an electrolyte membrane, that is, an ion conductive electrolyte membrane, where electrochemical reaction of hydrogen and oxygen takes place. 1 showing the principle of electricity generation of a fuel cell, oxidation reaction of fuel occurs in the anode, hydrogen ions and electrons are generated, and hydrogen ions move to the cathode through the electrolyte membrane, and through the oxygen and the electrolyte membrane The transferred hydrogen ions and electrons react to form water. This reaction causes electrons to migrate to the external circuit.

종래 고분자전해질 연료전지의 전극은 수소 산화 반응 및 산소 환원 반응이 용이한 귀금속 또는 이의 합금을 넓은 비표면적과 전기전도도를 가지는 담체에 담지시킨 촉매 파우더와 수소 이온 전도를 위해 적당한 비율의 이오오머 및 용매 등을 분산시킨 촉매 잉크를 균일하게 코팅한 후 이를 건조하여 제조하는 방식을 사용하였다. 이 촉매 잉크를 코팅하는 기재 및 방법에 따라 막 전극 접합체를 제조하는 방식이 달라진다. 실제 연료전지를 운영하기 위해서는 가습 조건에 따라, 막에 인접하는지 여부, 기체확산층에 인접하는지 여부, 연료가 공급되는 주입구 방향인지 여부, 생성된 물이 배출되는 배출구 방향인지 여부, 애노드 또는 캐소드 여부에 따라 요구되는 전극의 구조가 달라진다. 그러므로 최적화된 구조의 전극을 개발할 필요가 있었다. The electrodes of conventional polymer electrolyte fuel cells are composed of a catalyst powder in which a noble metal or an alloy thereof capable of easily performing a hydrogen oxidation reaction and an oxygen reduction reaction is supported on a carrier having a wide specific surface area and electrical conductivity and a suitable ratio of ionomer and solvent And the like were uniformly coated on the catalyst ink, followed by drying. The method of manufacturing the membrane electrode assembly depends on the substrate and method for coating the catalyst ink. In order to operate the actual fuel cell, depending on the humidification condition, whether it is adjacent to the membrane, whether it is adjacent to the gas diffusion layer, whether it is the direction of the injection port in which the fuel is supplied, The structure of the electrode required varies accordingly. Therefore, it was necessary to develop an electrode of optimized structure.

본 명세서가 해결하고자 하는 과제는 하나의 전극 내에서 이오노머의 함량을 달리하는 복수의 촉매층을 포함하는 구조를 설계하여 전극 내에서 국부적인 친수성 성질의 차이를 주고, 이로 인해 생기는 공극률의 단계적 변화를 통해 고가습 또는 저가습 환경에서 연료전지의 성능을 향상시키기 위한 전극을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to design a structure including a plurality of catalyst layers having different ionomer contents in one electrode to provide a local hydrophilic property difference in the electrode, And to provide an electrode for improving the performance of a fuel cell in a high humidity or low humidity environment.

본 명세서의 일 실시상태는 복수의 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극으로서, 상기 각각의 촉매층은 이오노머를 포함하고, 수소 이온을 전달하는 어느 하나의 촉매층의 이오노머 함량은 상기 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 다른 하나의 촉매층의 이오노머 함량보다 높은 연료전지용 전극을 제공한다. One embodiment of the present invention relates to an electrode for a fuel cell comprising a plurality of catalyst layers, wherein each of the catalyst layers includes an ionomer, and the ionomer content of any one of the catalyst layers for transporting hydrogen ions is different from that of the other Thereby providing an electrode for a fuel cell higher than the ionomer content of one catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태는 애노드; 상기 애노드에 대향하여 구비되는 캐소드; 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 구비되는 막전극 접합체로서, 상기 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나는 상기 연료전지용 전극을 포함하는 막전극 접합체를 제공한다. One embodiment of the present disclosure includes an anode; A cathode opposite to the anode; A membrane electrode assembly provided between the anode and the cathode, wherein at least one of the anode and the cathode comprises the electrode for a fuel cell.

본 명세서의 일 실시상태는 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. One embodiment of the present invention provides a fuel cell including the membrane electrode assembly.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극은 저가습 조건에서도 전극 촉매층에서 함수량의 저하를 방지할 수 있고, 고가습 조건 및 저가습 조건에서 촉매층 내에서 수소 이온의 이동 및 반응 가스의 확산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 캐소드 촉매층 내에서 물빠짐을 좋게 하여 워터 플러딩(water flooding)을 방지할 수 있고, 저가습 조건 및 고가습 조건에서 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다. The electrode for a fuel cell according to one embodiment of the present invention can prevent a decrease in the water content in the electrode catalyst layer even under low humidification conditions and can prevent diffusion of the hydrogen ions and diffusion of the reaction gas in the catalyst layer under high humidifying conditions and low humidifying conditions Can be improved. In addition, it is possible to prevent water flooding by improving water dropout in the cathode catalyst layer, and to improve the performance of the fuel cell under low humidification conditions and high humidification conditions.

도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 본 명세서의 일 실시상태에 따른 막전극 접합체를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극에서 이오노머 함량에 따른 촉매층을 개략적으로 나타낸 것으로 (a)는 애노드 촉매층의 평면도이고, (b)는 애노드 촉매층의 측면 단면도이다.
도 4는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극에서 포어의 크기에 따른 촉매층을 개략적으로 나타낸 것으로 (a)는 애노드 촉매층의 평면도이고, (b)는 애노드 촉매층의 측면 단면도이다.
도 5는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극에서 이오노머 함량에 따른 촉매층을 개략적으로 나타낸 것으로 (a)는 캐소드 촉매층의 평면도이고, (b)는 캐소드 촉매층의 측면 단면도이다.
도 6은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극에서 포어의 크기에 따른 촉매층을 개략적으로 나타낸 것으로 (a)는 캐소드 촉매층의 평면도이고, (b)는 캐소드 촉매층의 측면 단면도이다.
도 7은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 막전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a view for explaining an electricity generation principle of a fuel cell. FIG.
2 schematically shows a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 schematically shows a catalyst layer according to an ionomer content in a fuel cell electrode according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 (a) is a plan view of the anode catalyst layer and FIG. 3 (b) is a side sectional view of the anode catalyst layer.
FIG. 4 schematically shows a catalyst layer according to the size of a pore in an electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 (a) is a plan view of the anode catalyst layer and FIG. 4 (b) is a side sectional view of the anode catalyst layer.
FIG. 5 schematically shows a catalyst layer according to an ionomer content in a fuel cell electrode according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 (a) is a plan view of the cathode catalyst layer and FIG. 5 (b) is a side sectional view of the cathode catalyst layer.
FIG. 6 schematically shows a catalyst layer according to the size of a pore in an electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 (a) is a plan view of the cathode catalyst layer and FIG. 6 (b) is a side sectional view of the cathode catalyst layer.
7 schematically shows the structure of a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
8 schematically shows the structure of a fuel cell according to one embodiment of the present invention.

본 출원의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시상태들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 출원은 이하에서 개시되는 실시상태들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시상태들은 본 출원의 개시가 완전하도록 하며, 본 출원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 출원은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.Brief Description of the Drawings The advantages and features of the present application, and how to accomplish them, will be apparent with reference to the embodiments described below in conjunction with the accompanying drawings. It should be understood, however, that this application is not limited to the illustrated embodiments but is to be accorded the widest scope consistent with the principles of the invention, Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and this application is only defined by the scope of the claims. The dimensions and relative sizes of the components shown in the figures may be exaggerated for clarity of description.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 기술 및 과학적 용어를 포함하는 모든 용어는 본 출원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms, including technical and scientific terms used herein, may be used in a manner that is commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this application belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.

본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.When a member is referred to herein as being "on " another member, it includes not only a member in contact with another member but also another member between the two members.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Whenever a component is referred to as "comprising ", it is to be understood that the component may include other components as well, without departing from the scope of the present invention.

이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 명세서의 일 실시상태는 복수의 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극으로서, 상기 각각의 촉매층은 이오노머를 포함하고, 수소 이온을 전달하는 어느 하나의 촉매층의 이오노머 함량은 상기 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 다른 하나의 촉매층의 이오노머 함량보다 높은 연료전지용 전극을 제공한다. One embodiment of the present invention relates to an electrode for a fuel cell comprising a plurality of catalyst layers, wherein each of the catalyst layers includes an ionomer, and the ionomer content of any one of the catalyst layers for transporting hydrogen ions is different from that of the other Thereby providing an electrode for a fuel cell higher than the ionomer content of one catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 각각의 촉매층의 공극률은 상기 이오노머의 함량과 반비례할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the porosity of each of the catalyst layers may be inversely proportional to the content of the ionomer.

상기 연료전지용 전극은 촉매층 내에서 이오노머의 함량이 적을수록 촉매층 내의 포어가 커질 수 있으며, 따라서 수소 이온을 전달하는 어느 하나의 촉매층의 공극률은 상기 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 다른 하나의 촉매층의 공극률보다 더 작을 수 있다. The porosity of one of the catalyst layers for transporting hydrogen ions may be larger than the porosity of the other catalyst layer for receiving hydrogen ions from the catalyst layer, as the content of the ionomer in the catalyst layer is smaller, Can be smaller.

본 명세서에서 공극률이란 어느 하나의 촉매층의 부피(cm3) 중에 그 촉매층 내에서의 공극의 부피(cm3)를 의미한다. 예를 들어, 제1 촉매층의 공극률은 제1 촉매층의 부피를 V1이라고 하고, 제1 촉매층 내에서의 공극의 부피가 V1'이라고 할 때, 제1 촉매층의 공극률은 V1'/V1이 된다. 또한, 공극률의 계산에 있어서, 그 대상 촉매층을 복수 개의 블록으로 분할하여 블록마다의 공극률을 계산했을 경우 각각의 블록에서 계산되는 공극률의 평균을 그 대상 촉매층의 공극률로 할 수 있다.The porosity herein is the volume of any one catalyst layer (cm 3) represents the volume (cm 3) of the pores in the catalyst layer that. For example, when the volume of the first catalyst layer is V1 and the volume of the pores in the first catalyst layer is V1 ', the porosity of the first catalyst layer is V1' / V1. In calculating the porosity, when the target catalyst layer is divided into a plurality of blocks and the porosity of each block is calculated, the porosity of the target catalyst layer can be an average of porosity calculated in each block.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 애노드 또는 캐소드일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electrode for the fuel cell may be an anode or a cathode.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 연료인 애노드 유체가 공급되는 전극인 애노드는 산화극 또는 연료극일 수 있으며, 상기 애노드에서는 연료가 공급되어 수소의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+)과 전자를 발생시킨다. 또한, 캐소드 유체가 공급되는 전극인 캐소드는 환원극, 산소극 또는 공기극일 수 있으며, 상기 캐소드에서는 고분자 전해질막을 통과한 수소 이온과 산소가 결합하여 산소의 환원 반응에 의해 물이 생성된다.According to an exemplary embodiment of the present disclosure, the fuel in the anode fluid to the electrode of the anode to be supplied may be in the oxidized electrode or fuel electrode, in the anode fuel is supplied up the oxidation of hydrogen to hydrogen ions (H +) and electron . Also, the cathode, which is the electrode to which the cathode fluid is supplied, may be a reducing electrode, an oxygen electrode, or an air electrode. At the cathode, hydrogen ions and oxygen which have passed through the polymer electrolyte membrane are combined with each other to generate water by the reduction reaction of oxygen.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 애노드 및/또는 캐소드는 기체 확산층을 더 포함할 수 있다. 상기 캐소드 및/또는 애노드는 기체 확산층(gas diffusion layer: GDL) 상에 복수의 촉매층이 형성된 전극일 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, the anode and / or the cathode may further include a gas diffusion layer. The cathode and / or the anode may be an electrode having a plurality of catalyst layers formed on a gas diffusion layer (GDL).

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 애노드 또는 캐소드의 촉매층이 전해질막과 인접하여 구비되는 면에 대향하는 면에 상기 기체 확산층이 구비될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the gas diffusion layer may be provided on a surface of the anode or the cathode opposite to a surface of the catalyst layer adjacent to the electrolyte membrane.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 본 출원의 하나의 실시상태에서 상기 복수의 촉매층은 2층의 촉매층일 수 있고, 3층의 촉매층일 수 있으며, 4층 이상의 촉매층일 수 있다. According to one embodiment of the present disclosure, in one embodiment of the present application, the plurality of catalyst layers may be two-layer catalyst layers, three-layer catalyst layers, and four or more catalyst layers.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극이 애노드인 경우, 상기 애노드는 수소 이온 배출부를 포함할 수 있다. When the electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is an anode, the anode may include a hydrogen ion discharging portion.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 수소 이온 배출부는 상기 애노드가 전해질막에 인접하는 면에 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드는 외부로부터 연료를 공급받아 수소 이온 배출부를 통하여 수소 이온을 전해질막으로 전달할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the hydrogen ion emission portion may be provided on a surface of the anode adjacent to the electrolyte membrane. Specifically, the anode may receive fuel from the outside and transfer the hydrogen ions to the electrolyte membrane through the hydrogen ion discharging unit.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 애노드인 경우, 상기 수소 이온 배출부에 인접한 촉매층으로부터 순차적으로 적층되는 촉매층의 이오노머 함량은 순차적으로 높아질 수 있다. According to an embodiment of the present invention, when the electrode for the fuel cell is an anode, the ionomer content of the catalyst layer sequentially stacked from the catalyst layer adjacent to the hydrogen ion emission portion can be sequentially increased.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극이 캐소드인 경우, 상기 캐소드는 수분 배출부를 포함할 수 있다. When the electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a cathode, the cathode may include a water discharge portion.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 수분 배출부는 상기 캐소드가 전해질막에 인접하는 면을 제외한 적어도 일 면에 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 캐소드는 내부에서 생성되는 수분을 상기 수분 배출부를 통하여 외부로 방출할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the water discharging portion may be provided on at least one surface except the surface adjacent to the electrolyte membrane. Specifically, the cathode may emit moisture generated therein from the cathode to the outside through the water discharge unit.

본 명세의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 캐소드인 경우, 전해질막에 인접한 촉매층으로부터 순차적으로 적층되는 촉매층의 이오노머 함량은 순차적으로 낮아질 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, when the electrode for a fuel cell is a cathode, the ionomer content of a catalyst layer sequentially deposited from a catalyst layer adjacent to the electrolyte membrane may be sequentially lowered.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 수소 이온을 전달하는 제1 촉매층 및 상기 제1 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제2 촉매층을 포함하는 2층 구조이고, 상기 제1 촉매층은 상기 제2 촉매층 상에 구비될 수 있다. 이때, 상기 제2 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량이 제1 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량보다 적은 것일 수 있다. 또한, 상기 제2 촉매층의 공극률이 제1 촉매층의 공극률보다 클 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a two-layer structure including a first catalyst layer for transporting hydrogen ions and a second catalyst layer for receiving hydrogen ions from the first catalyst layer, May be provided on the second catalyst layer. At this time, the content of the ionomer contained in the second catalyst layer may be smaller than the content of the ionomer contained in the first catalyst layer. The porosity of the second catalyst layer may be greater than that of the first catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 2층 구조이고, 상기 연료전지용 전극은 애노드이며, 상기 애노드의 일 면은 수소 이온 배출부를 포함하며, 상기 제1 촉매층은 수소 이온 배출부를 제외한 상기 제2 촉매층 상에 구비될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a two-layer structure, the electrode for a fuel cell is an anode, one surface of the anode includes a hydrogen ion discharging portion, And may be provided on the second catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 2층 구조이고, 상기 연료전지용 전극이 애노드인 경우, 기체확산층에 접하여 위치하는 제1 촉매층 및 전해질막에 접하여 위치하는 제 2 촉매층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 애노드에서는 기체확산층에서 전해질막의 방향으로 각각의 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량이 줄어들고, 반대로 기체확산층에서 전해질막의 방향으로 각각의 촉매층의 공극률이 커질 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a two-layer structure, and when the electrode for a fuel cell is an anode, a first catalyst layer located in contact with the gas diffusion layer and a second catalyst layer located in contact with the electrolyte membrane . At this time, in the anode, the content of the ionomer contained in each catalyst layer in the direction of the electrolyte membrane in the gas diffusion layer is reduced, and the porosity of each catalyst layer in the direction of the electrolyte membrane in the gas diffusion layer can be increased.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 2층 구조인 애노드인 경우, 상기 제1 촉매층은 상기 수소 이온 배출부에 해당하는 제2 촉매층의 면을 제외한 나머지 면을 둘러싸며 구비될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, when the electrode for a fuel cell is an anode having a two-layer structure, the first catalyst layer may surround the surface except the surface of the second catalyst layer corresponding to the hydrogen- have.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 애노드인 경우, 상기 제2 촉매층의 하면은 수소 이온 배출부일 수 있으며, 상기 제2 촉매층의 상면 및 측면 상에 상기 제1 촉매층이 구비될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, when the electrode for the fuel cell is an anode, the lower surface of the second catalyst layer may be a hydrogen ion discharging portion, and the first catalyst layer may be provided on the upper surface and the side surface of the second catalyst layer. have.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 2층 구조이고, 상기 연료전지용 전극은 캐소드이며, 상기 캐소드의 적어도 일 면은 수분 배출부를 포함하며, 상기 제1 촉매층은 상기 수분 배출부를 제외한 상기 제2 촉매층 상에 구비될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a two-layer structure, the electrode for a fuel cell is a cathode, at least one surface of the cathode includes a water discharging portion, And may be provided on the second catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 2층 구조이고, 상기 연료전지용 전극이 캐소드인 경우, 전해질막에 접하여 위치하는 제1 촉매층 및 기체확산층에 접하여 위치하는 제 2 촉매층을 포함할 수 있다. 이때, 전해질막에서 기체확산층의 방향으로 각각의 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량이 줄어들고, 반대로 전해질막에서 기체확산층의 방향으로 각각의 촉매층의 공극률이 커질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a two-layer structure, and when the electrode for a fuel cell is a cathode, a first catalyst layer located in contact with the electrolyte membrane and a second catalyst layer located in contact with the gas diffusion layer . At this time, the content of the ionomer contained in each catalyst layer in the direction of the gas diffusion layer in the electrolyte membrane is reduced, and conversely, the porosity of each catalyst layer in the direction of the gas diffusion layer in the electrolyte membrane can be increased.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 2층 구조인 캐소드인 경우, 상기 제1 촉매층은 상기 수분 배출부에 해당하는 제2 촉매층의 면을 제외한 나머지 면을 둘러싸며 구비될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, when the electrode for a fuel cell is a cathode having a two-layer structure, the first catalyst layer may surround the surface except the surface of the second catalyst layer corresponding to the water discharge portion .

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 캐소드인 경우, 상기 제2 전극의 적어도 일 측면은 수분 배출부일 수 있으며, 상기 제1 촉매층은 상기 수분 배출부를 제외한 상기 제2 촉매층을 둘러싸며 구비될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, when the electrode for a fuel cell is a cathode, at least one side of the second electrode may be a water discharging portion, and the first catalyst layer surrounds the second catalyst layer excluding the moisture discharging portion .

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 수소 이온을 전달하는 제1 촉매층, 상기 제1 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제2 촉매층 및 상기 제2 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제3 촉매층을 포함하는 3층 구조이고, 상기 제1 촉매층은 상기 제2 촉매층 상에 구비되고, 상기 제2 촉매층은 상기 제3 촉매층 상에 구비될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell includes a first catalyst layer for transferring hydrogen ions, a second catalyst layer for receiving hydrogen ions from the first catalyst layer, and a third catalyst layer for receiving hydrogen ions from the second catalyst layer. The first catalyst layer may be provided on the second catalyst layer and the second catalyst layer may be provided on the third catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 3층 구조이고, 상기 연료전지용 전극은 애노드이며, 상기 애노드의 일 면은 수소 이온 배출부를 포함하며, 상기 제1 촉매층은 수소 이온 배출부를 제외한 상기 제2 촉매층 및 제3 촉매층 상에 구비될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a three-layer structure, the electrode for a fuel cell is an anode, one surface of the anode includes a hydrogen ion discharging portion, The second catalyst layer and the third catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 3층 구조이고, 상기 연료전지용 전극은 캐소드이며, 상기 캐소드의 적어도 일 면은 수분 배출부를 포함하며, 상기 제1 촉매층은 상기 수분 배출부를 제외한 상기 제2 촉매층 및 상기 제3 촉매층 상에 구비될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a three-layer structure, the electrode for a fuel cell is a cathode, at least one surface of the cathode includes a water discharging portion, The second catalyst layer, and the third catalyst layer.

도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 3층 구조의 전극을 포함하는 막전극 접합체를 개략적으로 나타낸 것으로서, (a)는 막 전극 접합체의 측면 단면도이고, (b)는 전극 촉매층의 평면도이다. 도 2에서 도면 부호 203은 애노드 촉매층이고, 도면 부호 205는 캐소드 촉매층이며, 도면 부호 100은 전해질막이다. 또한, 도면 부호 10은 제1 촉매층이고, 도면 부호 20은 제2 촉매층이며, 도면 부호 30은 제3 촉매층이다. 나아가, 도면 부호 300은 수소 이온의 흐름으로서 수소 이온의 이동 방향을 나타낸 것이다. FIG. 2 schematically shows a membrane electrode assembly including a three-layered electrode according to one embodiment of the present invention, wherein (a) is a side sectional view of the membrane electrode assembly and (b) is a plan view of the electrode catalyst layer. 2, reference numeral 203 denotes an anode catalyst layer, reference numeral 205 denotes a cathode catalyst layer, and reference numeral 100 denotes an electrolyte membrane. Reference numeral 10 denotes a first catalyst layer, reference numeral 20 denotes a second catalyst layer, and reference numeral 30 denotes a third catalyst layer. Further, reference numeral 300 denotes the flow direction of hydrogen ions as a flow of hydrogen ions.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 3층 구조이고, 상기 제2 촉매층(20)에 포함되는 이오노머의 함량이 제1 촉매층(10)에 포함되는 이오노머의 함량보다 적으며, 상기 제3 촉매층(30)에 포함되는 이오노머의 함량이 제2 촉매층(20)에 포함되는 이오노머의 함량보다 적은 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a three-layer structure, the content of the ionomer contained in the second catalyst layer 20 is smaller than the content of the ionomer contained in the first catalyst layer 10, The content of the ionomer contained in the third catalyst layer 30 may be smaller than the content of the ionomer contained in the second catalyst layer 20. [

도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 애노드에서 이오노머 함량에 따른 촉매층을 개략적으로 나타낸 것으로서, (a)는 애노드 촉매층의 평면도이고, (b)는 애노드 촉매층의 측면 단면도이다.FIG. 3 schematically shows a catalyst layer according to an ionomer content in an anode according to an embodiment of the present invention, wherein (a) is a plan view of an anode catalyst layer and (b) is a side sectional view of an anode catalyst layer.

도 4는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 애노드에서 포어의 크기에 따른 촉매층을 개략적으로 나타낸 것으로 (a)는 애노드 촉매층의 평면도이고, (b)는 애노드 촉매층의 측면 단면도이다. 상기 포어의 크기는 공극률과 비례할 수 있다. FIG. 4 schematically shows a catalyst layer according to the size of pores in the anode according to an embodiment of the present invention, wherein FIG. 4 (a) is a plan view of the anode catalyst layer and FIG. 4 (b) is a side sectional view of the anode catalyst layer. The size of the pores may be proportional to porosity.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 3층 구조이고, 상기 연료전지용 전극이 애노드인 경우, 기체확산층에 접하여 위치하는 제1 촉매층, 전해질막에 접하여 위치하는 제 3 촉매층 및 상기 제1 촉매층과 상기 제3 촉매층 사이에 구비된 제2 촉매층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 애노드에서는 기체확산층에서 전해질막의 방향으로 각각의 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량이 줄어들고, 반대로 기체확산층에서 전해질막의 방향으로 각각의 촉매층의 공극률이 커질 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a three-layer structure, and when the electrode for a fuel cell is an anode, a first catalyst layer positioned in contact with the gas diffusion layer, a third catalyst layer located in contact with the electrolyte membrane, And a second catalyst layer disposed between the first catalyst layer and the third catalyst layer. At this time, in the anode, the content of the ionomer contained in each catalyst layer in the direction of the electrolyte membrane in the gas diffusion layer is reduced, and the porosity of each catalyst layer in the direction of the electrolyte membrane in the gas diffusion layer can be increased.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 2층 구조인 애노드인 경우, 상기 제1 촉매층은 상기 수소 이온 배출부에 해당하는 면을 제외한 면을 둘러싸며 구비될 수 있다. 이는 도 3 및 도 4를 참고하면 보다 명확히 알 수 있다. According to an embodiment of the present invention, when the electrode for a fuel cell is an anode having a two-layer structure, the first catalyst layer may surround the surface excluding the surface corresponding to the hydrogen ion discharging portion. This can be more clearly understood with reference to FIG. 3 and FIG.

도 5는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 캐소드에서 이오노머 함량에 따른 촉매층을 개략적으로 나타낸 것으로서 (a)는 캐소드 촉매층의 평면도이고, (b)는 캐소드 촉매층의 측면 단면도이다.FIG. 5 schematically shows a catalyst layer according to an ionomer content in a cathode according to an embodiment of the present invention, wherein (a) is a plan view of a cathode catalyst layer, and (b) is a side sectional view of a cathode catalyst layer.

도 6은 본 출원의 하나의 실시상태에 따른 캐소드에서 포어의 크기에 따른 촉매층을 개략적으로 나타낸 것으로 (a)는 캐소드 촉매층의 평면도이고, (b)는 캐소드 촉매층의 측면 단면도이다. 상기 포어의 크기는 공극률과 비례할 수 있다. FIG. 6 schematically shows a catalyst layer according to the size of pores in a cathode according to one embodiment of the present application, wherein (a) is a plan view of the cathode catalyst layer, and (b) is a side sectional view of the cathode catalyst layer. The size of the pores may be proportional to porosity.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 3층 구조이고, 상기 연료전지용 전극이 캐소드인 경우, 전해질막에 접하여 위치하는 제1 촉매층, 기체확산층에 접하여 위치하는 제 3 촉매층 및 상기 제1 촉매층과 상기 제3 촉매층 사이에 구비된 제2 촉매층을 포함할 수 있다. 이때, 전해질막에서 기체확산층의 방향으로 각각의 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량이 줄어들고, 반대로 전해질막에서 기체확산층의 방향으로 각각의 촉매층의 공극률이 커질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a three-layer structure, and when the electrode for a fuel cell is a cathode, a first catalyst layer located in contact with the electrolyte membrane, a third catalyst layer located in contact with the gas diffusion layer, And a second catalyst layer disposed between the first catalyst layer and the third catalyst layer. At this time, the content of the ionomer contained in each catalyst layer in the direction of the gas diffusion layer in the electrolyte membrane is reduced, and conversely, the porosity of each catalyst layer in the direction of the gas diffusion layer in the electrolyte membrane can be increased.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 3층 구조인 캐소드인 경우, 상기 제1 촉매층은 상기 수분 배출부에 해당하는 제2 및/또는 제3 촉매층의 면을 제외한 나머지 면을 둘러싸며 구비될 수 있다. 이는 도 5 및 도 6을 참고하면 보다 명확히 알 수 있다. 구체적으로, 도 5 및 도 6에서, 수분 배출부는 도면 부호 206의 면 및/또는 제1 촉매층(10)이 구비되지 않은 제3 촉매층(30)의 면일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, when the electrode for a fuel cell is a cathode having a three-layer structure, the first catalyst layer surrounds the remaining surfaces except for the surfaces of the second and / or third catalyst layers corresponding to the water discharging portion . This can be more clearly understood with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. 5 and 6, the water outlet may be a face of the reference numeral 206 and / or a face of the third catalyst layer 30 on which the first catalyst layer 10 is not provided.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극은 제1 촉매층, 제2 촉매층, 제3 촉매층 및 제4 촉매층이 순차적으로 적층된 4층 구조이고, 상기 제1 촉매층으로부터 상기 제4 촉매층의 순서로 수소 이온이 전달될 수 있다. 또한, 상기 제1 촉매층으로부터 상기 제4 촉매층까지 이오노머의 함량은 순차적으로 적어지며, 공극률은 상기 제1 촉매층으로부터 상기 제4 촉매층까지 순차적으로 커질 수 있다. The electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention has a four-layer structure in which a first catalyst layer, a second catalyst layer, a third catalyst layer and a fourth catalyst layer are sequentially laminated, and the hydrogen from the first catalyst layer to the fourth catalyst layer Ions can be delivered. In addition, the content of the ionomer from the first catalyst layer to the fourth catalyst layer gradually decreases, and the porosity may sequentially increase from the first catalyst layer to the fourth catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극이 4층 구조의 애노드인 경우, 상기 제4 촉매층은 전해질막에 접하여 구비될 수 있다. When the electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is an anode having a four-layer structure, the fourth catalyst layer may be provided in contact with the electrolyte membrane.

또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극이 4층 구조의 캐소드인 경우, 상기 제1 촉매층은 전해질막에 접하여 구비될 수 있다. In addition, when the electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a cathode having a four-layer structure, the first catalyst layer may be provided in contact with the electrolyte membrane.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극이 애노드인 경우, 기체확산층과 접하는 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량이 크므로 전해질막이나 촉매층 내에 포함되는 물의 일부가 증발해도 증발한 물의 기체확산층으로의 이동을 이오노머에 의해 억제하여 증발한 물이 연료전지 밖으로 배출되는 것을 억제할 수 있다. 그래서 저가습 조건에서도 전해질막과 촉매층 내에서 함수량의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 예컨대 2층 구조에서는 제1 촉매층보다 제2 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량이 적고, 3층 구조에서는 제1 촉매층보다 제2 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량이 적고, 제2 촉매층보다 제3 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량이 적으므로 고가습 조건 및 저가습 조건에서 촉매층 내에서 기체확산층에서 전해질막의 방향으로 수소 이온의 이동 효과를 줄 수 있고, 반응 가스의 확산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 기체확산층에 접하고, 다른 촉매층의 측면의 일부 또는 전부를 둘러싸고 형성되는 제1 촉매층의 경우 이오노머의 함량이 높으므로 전극층의 배리어(barrier) 역할을 할 수 있는 장점이 있다.In the case where the electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is an anode, since the content of the ionomer contained in the catalyst layer in contact with the gas diffusion layer is large, the evaporation of water contained in the electrolyte membrane or the catalyst layer Can be suppressed by the ionomer and the water evaporated out of the fuel cell can be suppressed. Therefore, even under the humidifying condition, it is possible to prevent a decrease in the water content in the electrolyte membrane and the catalyst layer. For example, in the two-layer structure, the content of the ionomer contained in the second catalyst layer is smaller than that in the first catalyst layer. In the three-layer structure, the content of the ionomer contained in the second catalyst layer is smaller than that in the first catalyst layer, It is possible to increase the diffusion effect of the reaction gas in the catalyst layer in the high humidification condition and the low humidification condition in the direction of the electrolyte membrane in the gas diffusion layer in the catalyst layer. In addition, in the case of the first catalyst layer which is in contact with the gas diffusion layer and surrounds some or all of the side faces of the other catalyst layers, the content of the ionomer is high, which is advantageous as a barrier of the electrode layer.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극이 애노드인 경우, 기체확산층과 접하는 촉매층의 공극률이 작으므로 촉매층 내의 물의 기체확산층으로의 이동을 억제하여 증발한 물이 연료전지 밖으로 배출되는 것을 억제할 수 있고, 그 결과 저가습 조건에서도 전해질막과 촉매층의 함수량의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 예컨대 2층 구조에서는 제1 촉매층보다 제2 촉매층의 공극률이 크고, 3층 구조에서는 제1 촉매층보다 제2 촉매층의 공극률이 크며, 제2 촉매층보다 제3 촉매층의 공극률이 크므로 고가습 조건 및 저가습 조건에서 촉매층 내에서 기체확산층에서 전해질막의 방향으로 수소 이온의 이동 효과를 줄 수 있고, 반응 가스의 확산성을 향상시킬 수 있다. 그래서, 전해질막에 인접한 촉매층에서 매스 트랜스퍼(mass transfer) 저항을 줄일 수 있는 장점이 있다. In the case where the electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is an anode, since the porosity of the catalyst layer in contact with the gas diffusion layer is small, movement of water in the catalyst layer to the gas diffusion layer is suppressed, As a result, it is possible to prevent the water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer from lowering even under low humidity conditions. For example, in the two-layer structure, the porosity of the second catalyst layer is larger than that of the first catalyst layer. In the three-layer structure, the porosity of the second catalyst layer is larger than that of the first catalyst layer. And the effect of moving the hydrogen ions in the direction of the electrolyte membrane in the gas diffusion layer in the catalyst layer under low humidification conditions, and the diffusibility of the reaction gas can be improved. Therefore, there is an advantage that the mass transfer resistance can be reduced in the catalyst layer adjacent to the electrolyte membrane.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극이 캐소드인 경우, 전해질막과 접하는 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량이 크므로 전해질막이나 촉매층 내에 포함되는 물의 일부가 증발해도 증발한 물의 전해질막으로의 이동을 이오노머에 의해 억제하여 저가습 조건에서도 캐소드 촉매층에서 함수량의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 예컨대 2층 구조에서는 제1 촉매층보다 제2 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량이 적고, 3층 구조에서는 제1 촉매층보다 제2 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량이 적고, 제2 촉매층보다 제3 촉매층에 포함되는 이오노머의 함량이 적으므로 고가습 조건 및 저가습 조건에서 촉매층 내에서 전해질막에서 기체확산층의 방향으로 수소 이온의 이동 효과를 줄 수 있고, 반응 가스의 확산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전해질막에 접하고, 다른 촉매층의 측면의 일부 또는 전부를 둘러싸고 형성되는 제1 촉매층의 경우 이오노머의 함량이 높으므로 전극층의 배리어(barrier) 역할을 할 수 있는 장점이 있다.When the electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a cathode, since the content of the ionomer contained in the catalyst layer in contact with the electrolyte membrane is large, the evaporation of water contained in the electrolyte membrane or the catalyst layer to the electrolyte membrane Can be suppressed by the ionomer, and it is possible to prevent a decrease in the water content in the cathode catalyst layer even under low humidification conditions. For example, in the two-layer structure, the content of the ionomer contained in the second catalyst layer is smaller than that in the first catalyst layer. In the three-layer structure, the content of the ionomer contained in the second catalyst layer is smaller than that in the first catalyst layer, The hydrogen ion transporting effect in the direction of the gas diffusion layer from the electrolyte membrane in the catalyst layer can be improved under high humidification conditions and low humidification conditions and diffusion of the reaction gas can be improved. The first catalyst layer, which is in contact with the electrolyte membrane and is formed so as to surround a part or all of the side surfaces of the other catalyst layers, has an advantage of being a barrier of the electrode layer because of the high ionomer content.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극이 캐소드인 경우, 예컨대 2층 구조에서는 제1 촉매층보다 제2 촉매층의 공극률이 크고, 3층 구조에서는 제1 촉매층보다 제2 촉매층의 공극률이 크며, 제2 촉매층보다 제3 촉매층의 공극률이 크므로 고가습 조건 및 저가습 조건에서 촉매층 내에서 전해질막에서 기체확산층의 방향으로 수소 이온의 이동 효과를 줄 수 있고, 반응 가스의 확산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 캐소드 촉매층 내에서 물빠짐을 좋게 하여 워터 플러딩(water flooding)을 방지할 수 있는 장점이 있다. When the electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a cathode, for example, in a two-layer structure, the porosity of the second catalyst layer is larger than that of the first catalyst layer and the porosity of the second catalyst layer is larger than that of the first catalyst layer in the three- Since the porosity of the third catalyst layer is larger than that of the second catalyst layer, it is possible to improve the diffusion effect of the reactive gas in the catalyst layer in the high humidification condition and the low humidification condition in the direction of the gas diffusion layer in the electrolyte membrane in the catalyst layer . In addition, there is an advantage that water flooding can be prevented in the cathode catalyst layer to prevent water flooding.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극이 캐소드인 경우, 이오노머의 함량이 많은 제1 촉매층이 다른 촉매층의 측면을 둘러싸며 위치하면서도 배출구가 위치하는 측면에는 위치하지 않음으로써, 물빠짐을 좋게 하여 워터 플러딩(water flooding)을 방지하는 효과를 더 높일 수 있는 장점이 있다. When the electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a cathode, the first catalyst layer having a large ionomer content is located on the side surface of the other catalyst layer and is not located on the side where the discharge port is located, There is an advantage that the effect of preventing water flooding can be further enhanced.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 전극은 애노드와 캐소드의 구조를 상이하게 함으로써 고가습 조건뿐만 아니라 저가습 조건에서도 연료전지의 성능이 향상되는 효과가 있다. The electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention has an effect of improving the performance of a fuel cell not only in a high humidification condition but also in a low humidification condition by making the anode and cathode structures different from each other.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 2층 구조이고, 상기 제1 촉매층의 이오노머 함량은 상기 제1 촉매층에 포함되는 촉매의 함량 100 중량부를 기준으로 40 중량부 이상 60 중량부 미만이고, 상기 제2 촉매층의 이오노머 함량은 상기 제2 촉매층에 포함되는 촉매의 함량 100 중량부를 기준으로 20 중량부 이상 40 중량부 미만일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a two-layer structure, and the ionomer content of the first catalyst layer is 40 to less than 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst contained in the first catalyst layer , And the ionomer content of the second catalyst layer may be 20 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst contained in the second catalyst layer.

상기 제1 촉매층의 이오노머 함량이 40 중량부 이상이면 촉매층 내에서의 이온전달 통로가 제대로 형성되지 않을 수 있는 문제를 방지하여 촉매 반응으로 형성된 이온의 이동이 원활하지 못하게 될 수 있는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 상기 제1 촉매층의 이오노머 함량이 60 중량부 미만이면 이오노머가 촉매층을 덮어버리는 현상이 발생할 수 있는 것을 방지하여 촉매와 연료의 반응이 용이하지 못하게 될 수 있는 문제를 방지할 수 있다. If the ionomer content of the first catalyst layer is 40 parts by weight or more, it is possible to prevent the problem that the ion transmission passage in the catalyst layer may not be formed properly, have. If the ionomer content of the first catalyst layer is less than 60 parts by weight, it is possible to prevent the ionomer from covering the catalyst layer, thereby preventing the catalyst from easily reacting with the fuel.

또한, 상기 제2 촉매층의 이오노머 함량이 20 중량부 이상이면 촉매층 내에서의 이온전달 통로가 제대로 형성되지 않을 수 있는 문제를 방지하여 촉매 반응으로 형성된 이온의 이동이 원활하지 못하게 될 수 있는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 상기 제2 촉매층의 이오노머 함량이 40 중량부 미만이면 이오노머가 촉매층을 덮어버리는 현상이 발생할 수 있는 것을 방지하여 촉매와 연료의 반응이 용이하지 못하게 될 수 있는 문제를 방지할 수 있다.In addition, when the ionomer content of the second catalyst layer is 20 parts by weight or more, it is possible to prevent the problem that the ion transmission passage in the catalyst layer may not be formed properly, can do. If the ionomer content of the second catalyst layer is less than 40 parts by weight, it is possible to prevent the ionomer from covering the catalyst layer, thereby preventing the catalyst from easily reacting with the fuel.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 2층 구조이고, 상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층 두께는 각각 상기 촉매층 총 두께의 20% 내지 80%일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a two-layer structure, and the thicknesses of the first catalyst layer and the second catalyst layer may be 20% to 80% of the total thickness of the catalyst layer, respectively.

구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 2층 구조이고, 상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층 두께는 각각 상기 촉매층 총 두께의 30% 내지 80%일 수 있다.Specifically, according to an embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a two-layer structure, and the thicknesses of the first catalyst layer and the second catalyst layer may each be 30% to 80% of the total thickness of the catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 3층 구조이고, 상기 제1 촉매층의 이오노머 함량은 상기 제1 촉매층에 포함되는 촉매의 함량 100 중량부를 기준으로 40 중량부 이상 60 중량부 미만이고, 상기 제2 촉매층의 이오노머 함량은 상기 제2 촉매층에 포함되는 촉매의 함량 100 중량부를 기준으로 30 중량부 이상 40 중량부 미만이며, 상기 제3 촉매층의 이오노머 함량은 상기 제3 촉매층에 포함되는 촉매의 함량 100 중량부를 기준으로 20 중량부 이상 30 중량부 미만일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a three-layer structure, and the ionomer content of the first catalyst layer is 40 to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst contained in the first catalyst layer And the ionomer content of the second catalyst layer is less than 30 parts by weight and less than 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst contained in the second catalyst layer and the ionomer content of the third catalyst layer is included in the third catalyst layer May be 20 parts by weight or more and less than 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 3층 구조이고, 상기 제1 촉매층, 상기 제2 촉매층 및 상기 제3 촉매층의 두께는 각각 상기 촉매층 총 두께의 20% 내지 40%일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell has a three-layer structure, and the thicknesses of the first catalyst layer, the second catalyst layer and the third catalyst layer may be 20% to 40% of the total thickness of the catalyst layer, respectively .

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 전해질막 상에 구비되는 경우, 상기 전해질막과 경사각을 이루는 면에 구비된 제1 촉매층의 두께는 상기 촉매층 전체 두께의 1% 내지 15%일 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극이 전해질막 상에 구비되는 경우, 상기 전해질막과 경사각을 이루는 면에 구비된 제1 촉매층의 두께는 상기 촉매층의 전체 너비의 1% 내지 15%이 일 수 있다. 이 경우, 상게 제1 촉매층이 배리어 역할을 수행하기에 적절하고, 수소 이온의 이동 효과와 반응 가스의 확산성 향상 효과가 미미할 수 있는 문제를 방지할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when the electrode for a fuel cell is provided on the electrolyte membrane, the thickness of the first catalyst layer provided on the surface forming the inclined angle with respect to the electrolyte membrane is 1% to 15% . According to an embodiment of the present invention, when the electrode for a fuel cell is provided on the electrolyte membrane, the thickness of the first catalyst layer provided on the plane forming the inclined angle with respect to the electrolyte membrane is 1% 15% can be. In this case, it is possible to prevent the problem that the first catalyst layer is suitable for performing the barrier function and the hydrogen ion migration effect and the diffusibility improvement effect of the reaction gas may be insignificant.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 촉매층에 포함되는 촉매는 금속 촉매 단독을 의미할 수도 있고, 탄소계 지지체에 담지된 금속 촉매를 의미할 수도 있다. 상기 촉매층은 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 예를 들면 촉매, 이오노머 및 촉매 분산을 증진시키는 용매를 포함하는 촉매 잉크를 기체 확산층 위에 도포 및 건조함으로써 형성할 수 있다. 이때, 이오노머의 함량을 달리한 촉매 잉크를 차례로 도포 및 건조함으로써 복수의 촉매층을 형성할 수 있다. 상기 촉매 잉크는 수소이온 전도성 고분자를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the catalyst included in the catalyst layer may mean either a metal catalyst alone or a metal catalyst supported on a carbon-based support. The catalyst layer may be formed by a conventional method known in the art and may be formed, for example, by applying a catalyst ink containing a catalyst, an ionomer, and a solvent for promoting catalyst dispersion onto the gas diffusion layer and drying the same. At this time, a plurality of catalyst layers can be formed by sequentially coating and drying the catalyst ink having different ionomer contents. The catalyst ink may further include a proton conductive polymer.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 촉매로는 백금, 전이금속 또는 백금-전이금속 합금이 사용될 수 있고, 구체적으로 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-몰리브덴 합금 및 백금-로듐 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.According to one embodiment of the present invention, the metal catalyst may be platinum, a transition metal, or a platinum-transition metal alloy. Specific examples of the metal catalyst include platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum- Alloys, platinum-molybdenum alloys, and platinum-rhodium alloys may be used, but are not limited thereto.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소계 지지체로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the carbon-based support includes at least one selected from the group consisting of graphite, carbon black, acetylene black, denka black, cacao black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, , Carbon nano-rings, carbon nanowires, fullerene (C60), and super P may be used.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질막으로 이동하기 위한 통로를 제공하여 주는 역할을 한다. 상기 이오노머는 구체적으로 나피온 이오노머, 탄화수소계 이오노머, 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 사용될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the ionomer serves to provide a passage through which ions generated by the reaction between the fuel and the catalyst, such as hydrogen or methanol, move to the electrolyte membrane. The ionomer may specifically be a sulfonated polymer such as a Nafion ionomer, a hydrocarbon-based ionomer, or a sulfonated polytrifluorostyrene.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 촉매 분산을 증진시키는 용매로는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol:IPA), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트 및 에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다. 애노드 용매와 캐소드 용매를 동일한 것을 사용할 수도 있다.According to one embodiment of the present invention, the solvent for promoting the catalyst dispersion is selected from the group consisting of water, butanol, iso propanol (IPA), methanol, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate and ethylene glycol Or a mixture of two or more of them may be preferably used. The same anode solvent and cathode solvent may be used.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 촉매 잉크 중 용매의 비율은 사용된 촉매 100 중량부 대비 100 내지 5,000 중량부일 수 있다. 용매의 사용량이 100 중량부 이상이면 촉매 잉크의 점도가 너무 높아지는 것을 방지하여 코팅시 촉매 입자의 분산성이 저하되는 것을 방지할 수 있고, 균일한 촉매층이 형성되도록 할 수 있다. 또한, 5,000 중량부 이하이면 촉매 잉크의 점도가 너무 낮아지는 것을 방지하여 한번에 코팅되는 촉매층의 두께가 얇으면 코팅을 수회 반복해야 할 수 있는 문제를 방지하고, 생산성 불량의 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the ratio of the solvent in the catalyst ink may be 100 to 5,000 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst used. When the amount of the solvent used is 100 parts by weight or more, the viscosity of the catalyst ink is prevented from becoming too high, so that the dispersibility of the catalyst particles during coating can be prevented from being lowered, and a uniform catalyst layer can be formed. If the amount is less than 5,000 parts by weight, the viscosity of the catalyst ink is prevented from becoming too low, and if the thickness of the catalyst layer coated at one time is thin, it is possible to prevent the problem that the coating is repeated several times, .

이때, 상기 촉매 잉크를 기체 확산층 위에 도포하는 방법으로는 프린팅(printing), 테이프 캐스팅, 분무(spray), 롤링(rolling), 블레이드 코팅, 다이 코팅, 스핀 코팅 또는 브러싱(brushing) 등의 방법이 있으나, 이에 한정하지는 않는다.At this time, the method of applying the catalyst ink on the gas diffusion layer includes printing, tape casting, spraying, rolling, blade coating, die coating, spin coating or brushing , But is not limited thereto.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 기체 확산층은 일반적으로 도전성 및 80% 이상의 다공도를 갖는 기재라면 특별한 제한이 없으며, 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 기재의 두께는 30 마이크로미터 내지 500 마이크로미터일 수 있다. 상기 범위 내의 값이면 기계적 강도와 가스 및 물의 확산성과의 균형이 적절하게 제어될 수 있다. 상기 기체확산층은 상기 도전성 기재의 일면에 형성되는 미세기공층을 더 포함하여 형성될 수 있으며, 미세기공층은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다. 미세기공층은 촉매층에 존개하는 과잉 수분의 배출을 촉진시켜서 플러딩(flooding) 현상의 발생을 억제할 수 있다According to one embodiment of the present invention, the gas diffusion layer is not particularly limited as long as the substrate is generally conductive and has a porosity of 80% or more, and may include a conductive substrate selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth and carbon felt have. The thickness of the substrate may be from 30 micrometers to 500 micrometers. If the value is within the above range, the balance between the mechanical strength and the diffusion property of gas and water can be appropriately controlled. The gas diffusion layer may further include a microporous layer formed on one surface of the conductive base material, and the microporous layer may include a carbon-based material and a fluororesin. The microporous layer promotes the discharge of excessive moisture existing in the catalyst layer, thereby suppressing the occurrence of flooding phenomenon

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소계 물질로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.According to one embodiment of the present invention, the carbon-based material may be at least one selected from the group consisting of graphite, carbon black, acetylene black, denka black, cacao black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, , Carbon nano-rings, carbon nanowires, fullerene (C60), and super P may be used, but are not limited thereto.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 불소계수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP) 및 스티렌-부타디엔고무(SBR)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.According to one embodiment of the present invention, the fluororesin may be at least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl alcohol, cellulose acetate, copolymers of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene ( (PVdF-HFP) and styrene-butadiene rubber (SBR) may be used, but are not limited thereto.

본 명세서의 일 실시상태는 애노드; 상기 애노드에 대향하여 구비되는 캐소드; 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 구비되는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체로서, 상기 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나는 청구항 1 내지 12 중 어느 하나에 따른 연료전지용 전극을 포함하는 막전극 접합체를 제공한다. One embodiment of the present disclosure includes an anode; A cathode opposite to the anode; Wherein at least one of the anode and the cathode comprises the electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 12. The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 12, wherein the electrolyte membrane is provided between the anode and the cathode.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 애노드는 수소 이온을 전달하는 제1 촉매층 및 상기 제1 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제2 촉매층을 포함하는 2층 구조이고, 상기 제2 촉매층은 상기 전해질막에 접하여 구비될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the anode has a two-layer structure including a first catalyst layer for transferring hydrogen ions and a second catalyst layer for receiving hydrogen ions from the first catalyst layer, As shown in FIG.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 캐소드는 수소 이온을 전달하는 제1 촉매층 및 상기 제1 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제2 촉매층을 포함하는 2층 구조이고, 상기 제1 촉매층은 상기 전해질막에 접하여 구비될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the cathode has a two-layer structure including a first catalyst layer for transporting hydrogen ions and a second catalyst layer for receiving hydrogen ions from the first catalyst layer, As shown in FIG.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 애노드는 수소 이온을 전달하는 제1 촉매층, 상기 제1 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제2 촉매층 및 상기 제2 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제3 촉매층을 포함하는 3층 구조이고, 상기 제3 촉매층은 상기 전해질막에 접하여 구비될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the anode includes a first catalyst layer for transferring hydrogen ions, a second catalyst layer for receiving hydrogen ions from the first catalyst layer, and a third catalyst layer for receiving hydrogen ions from the second catalyst layer And the third catalyst layer may be provided in contact with the electrolyte membrane.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 캐소드는 수소 이온을 전달하는 제1 촉매층, 상기 제1 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제2 촉매층 및 상기 제2 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제3 촉매층을 포함하는 3층 구조이고, 상기 제1 촉매층은 상기 전해질막에 접하여 구비될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the cathode includes a first catalyst layer for transferring hydrogen ions, a second catalyst layer for receiving hydrogen ions from the first catalyst layer, and a third catalyst layer for receiving hydrogen ions from the second catalyst layer And the first catalyst layer may be provided in contact with the electrolyte membrane.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질 막은 수소이온 전도성을 가지는 고분자이면 당 분야에 알려진 통상적인 것을 포함할 수 있다. 수소이온 전도성을 가지는 고분자는 측쇄에 술폰산기, 인산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 양이온 교환기를 가지는 고분자일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane may include a polymer having hydrogen ion conductivity, which is conventional in the art. The polymer having hydrogen ion conductivity may be a polymer having one or two or more cation-exchange groups selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, and derivatives thereof in the side chain.

구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질막은 퍼플루오르술폰산계 고분자, 탄화수소계 고분자, 방향족 술폰계 고분자, 방향족 케톤계 고분자, 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리페닐렌옥사이드계 고분자, 폴리포스파젠계 고분자, 폴리에틸렌나프탈레이트계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 도핑된 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 폴리술폰계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 고분자를 포함할 수 있다. 상기 고분자의 단일 공중합체, 교대 공중합체, 랜덤 공중합체, 블록 공중합체, 멀티블록 공중합체 또는 그라프트 공중합체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Specifically, according to one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane may be formed of a perfluorosulfonic acid polymer, a hydrocarbon polymer, an aromatic sulfonic polymer, an aromatic ketone polymer, a polybenzimidazole polymer, a polystyrene polymer, a polyester polymer , Polyimide type polymers, polyvinylidene fluoride type polymers, polyether sulfone type polymers, polyphenylene sulfide type polymers, polyphenylene oxide type polymers, polyphosphazene type polymers, polyethylene naphthalate type polymers, polyester type polymers , A doped polybenzimidazole-based polymer, a polyether ketone-based polymer, a polyphenylquinoxaline-based polymer, and a polysulfone-based polymer. But are not limited to, a single copolymer, an alternating copolymer, a random copolymer, a block copolymer, a multi-block copolymer, or a graft copolymer of the polymer.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질막은 술폰화 고분자일 수 있다. 구체적으로, 술폰화 폴리아릴렌에테르계 고분자, 술폰화 폴리에테르케톤계 고분자, 술폰화 폴리에테르에테르케톤계 고분자, 술폰화 폴리아미드계 고분자, 술폰화 폴리이미드계 고분자, 술폰화 폴리포스파젠계 고분자, 술폰화 폴리스티렌계 고분자 및 방사선 중합된 술폰화 저밀도폴리에틸렌-g-폴리스티렌계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 고분자로 제조될 수 있다. 상기 고분자의 단일 공중합체, 교대 공중합체, 랜덤 공중합체, 블록 공중합체, 멀티블록 공중합체 또는 그라프트 공중합체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane may be a sulfonated polymer. Specifically, a sulfonated polyarylene ether polymer, a sulfonated polyether ketone polymer, a sulfonated polyether ether ketone polymer, a sulfonated polyamide polymer, a sulfonated polyimide polymer, a sulfonated polyphosphazene polymer , A sulfonated polystyrene-based polymer, and a radiation-polymerized sulfonated low density polyethylene-g-polystyrene-based polymer. But are not limited to, a single copolymer, an alternating copolymer, a random copolymer, a block copolymer, a multi-block copolymer, or a graft copolymer of the polymer.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질막의 두께는 5 마이크로미터 내지 100 마이크로미터일 수 있고, 구체적으로 5 마이크로미터 내지 50 마이크로미터일 수 있으며, 더욱 구체적으로 10 마이크로미터 내지 20 마이크로미터일 수 있다. 전해질막 두께가 5 마이크로미터 이상이면 원하는 수준의 기계적 강도를 가질 수 있고, 100 마이크로미터 이하이면 수소이온 전도도가 저하될 수 있는 문제를 방지할 수 있어서, 5 마이크로미터 내지 100 마이크로미터인 것이 바람직하다.According to one embodiment of the present disclosure, the thickness of the electrolyte membrane may be between 5 micrometers and 100 micrometers, specifically between 5 micrometers and 50 micrometers, and more specifically between 10 micrometers and 20 micrometers. have. If the electrolyte membrane thickness is 5 micrometers or more, it can have a desired level of mechanical strength. If the electrolyte membrane thickness is 100 micrometers or less, it is possible to prevent the hydrogen ion conductivity from being lowered, and it is preferably 5 micrometers to 100 micrometers .

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 막전극 접합체는 애노드의 촉매층과 캐소드의 촉매층이 전해질막에 접촉하도록 하는 형태로서, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 일례로, 상기 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 밀착시킨 상태에서 100 ℃ 내지 400 ℃로 열압착하여 제조될 수 있다According to one embodiment of the present invention, the membrane electrode assembly may be manufactured by a conventional method known in the art, such that the catalyst layer of the anode and the catalyst layer of the cathode are in contact with the electrolyte membrane. For example, the cathode; Anode; And an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode in close contact with each other at a temperature of 100 ° C to 400 ° C

도 7은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 막전극 접합체의 구조를 나타낸 것이다.7 shows the structure of a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 상기 막전극 접합체는 전해질막(100)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 캐소드와 애노드를 포함하는 것으로 구성될 수 있다. 상기 캐소드와 애노드는 애노드 촉매층(203)과 캐소드 촉매층(205)을 포함하고, 기체 확산층(208)을 추가로 포함할 수 있으며, 기체 확산층(208)은 기재(209a, 209b)와 기재의 일면에 형성되는 미세기공층(207a, 207b)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7, the membrane electrode assembly may include a cathode and an anode positioned opposite to each other with the electrolyte membrane 100 interposed therebetween. The cathode and the anode may include an anode catalyst layer 203 and a cathode catalyst layer 205 and may further include a gas diffusion layer 208. The gas diffusion layer 208 may be formed on one surface of the substrate 209a and 209b, And may include microporous layers 207a and 207b formed therein.

본 명세서의 일 실시상태는 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. One embodiment of the present invention provides a fuel cell including the membrane electrode assembly.

상기 연료전지는 적어도 하나의 막전극 접합체와 막전극 접합체의 사이마다 구비된 분리판을 포함하는 연료 전지용 스택(400); 연료를 상기 스텍으로 공급하는 연료 공급부(600); 및 산화제를 상기 스텍으로 공급하는 산화제 공급부(500)를 포함하고, 상기 막전극 접합체는 전해질막; 상기 전해질막의 양 측면에 각각 구비되는 전극을 포함할 수 있다. A fuel cell stack (400) comprising a separator plate provided between at least one membrane electrode assembly and a membrane electrode assembly; A fuel supply unit 600 for supplying fuel to the stack; And an oxidant supply part (500) for supplying an oxidant to the stack, wherein the membrane electrode assembly comprises an electrolyte membrane; And electrodes provided on both sides of the electrolyte membrane.

상기 분리판은 막전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 막전극 접합체의 캐소드와 애노드에 접촉하여 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막전극 접합체로 전달하는 역할을 한다. 분리판은 내부에 유로 채널이 형성될 수 있다. 분리판은 공지의 재료를 사용할 수 있고, 예를 들어 카본 그래파이트 등의 카본 재료나 스테인레스 등의 금속 재료를 사용할 수 있다. The separator plate prevents the membrane electrode assemblies from being electrically connected to each other, and contacts the cathode and the anode of the membrane electrode assembly to transfer the fuel and the oxidant supplied from the outside to the membrane electrode assembly. A channel channel may be formed inside the separator plate. As the separation plate, a known material can be used, and for example, a carbon material such as carbon graphite or a metal material such as stainless steel can be used.

상기 연료전지용 스택은 연료와 산화제의 전기화학적인 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The stack for a fuel cell serves to generate electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant.

도 8은 본 출원의 하나의 실시상태에 따른 연료전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다. 8 schematically shows the structure of a fuel cell according to one embodiment of the present application.

도 8을 참조하면, 본 출원의 연료전지는 연료 전지용 스택(400), 연료 공급부(600) 및 산화제 공급부(500)를 포함하는 것으로 구성되어 있다. 본 출원의 연료전지는 서로 대향하여 위치하는 캐소드와 애노드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하며, 본 출원에 따른 연료전지용 복합 전해질막을 포함하는 하나 이상의 막전극 접합체 및 하나 이상의 분리판을 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 하나 이상의 연료 전지용 스택(400); 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부(600); 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부(500)를 포함한다.Referring to FIG. 8, the fuel cell of the present application comprises a fuel cell stack 400, a fuel supply unit 600, and an oxidant supply unit 500. The fuel cell of the present application includes at least a cathode and an anode located opposite to each other and at least one membrane electrode assembly and at least one separator located between the anode and the cathode and including a composite electrolyte membrane for a fuel cell according to the present application , One or more stacks (400) for fuel cells that generate electricity through electrochemical reactions of fuel and oxidant; A fuel supply unit 600 for supplying fuel to the electricity generating unit; And an oxidant supply unit 500 for supplying the oxidant to the electricity generating unit.

상기 연료 공급부(600)는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(610) 및 연료탱크(610)에 저장된 연료를 전기 발생부로 공급하는 펌프(620)로 구성될 수 있다. 상기 연료는 메탄올, 에탄올, 부탄올, 프로판올, 개미산, 수소화합물수용액 및 수소 가스로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다. 더욱 구체적으로는 수소 가스일 수 있다. The fuel supply unit 600 includes a fuel tank 610 for storing fuel and a pump 620 for supplying fuel stored in the fuel tank 610 to the electricity generating unit, . The fuel may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, butanol, propanol, formic acid, aqueous hydrogen compound solution and hydrogen gas. More specifically, it may be a hydrogen gas.

상기 산화제 공급부(500)는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제는 산소 또는 공기일 수 있고, 산소 또는 공기를 펌프(620)로 주입하여 사용할 수 있다.The oxidant supply part 500 serves to supply an oxidant to the electricity generation part. The oxidant may be oxygen or air, and oxygen or air may be injected into the pump 620.

본 출원이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 출원의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

이상으로 본 출원의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 출원의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 출원의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Having described specific portions of the present application in detail, those skilled in the art will appreciate that these specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present application is not limited thereto. Accordingly, the actual scope of the present application will be defined by the appended claims and their equivalents.

10: 제1 촉매층
20: 제2 촉매층
30: 제3 촉매층
100: 전해질막
200a: 캐소드
200b: 애노드
203: 애노드 촉매층
205: 캐소드 촉매층
206: 수분 배출구가 위치하는 측면
207a, 207b: 미세기공층
208: 기체 확산층
209a, 209b: 기체 확산층용 기재
300: 수소 이온의 흐름
400: 연료 전지용 스택
500: 산화제 공급부
600: 연료 공급부
610: 연료탱크
620: 펌프10: First catalyst layer
20: Second catalyst layer
30: Third catalyst layer
100: electrolyte membrane
200a: cathode
200b: anode
203: anode catalyst layer
205: cathode catalyst layer
206: side on which the water outlet is located
207a and 207b: microporous layer
208: gas diffusion layer
209a, 209b: substrate for gas diffusion layer
300: Flow of hydrogen ion
400: Stack for fuel cell
500: oxidant supplier
600: fuel supply unit
610: Fuel tank
620: Pump

Claims (18)

복수의 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극으로서,
상기 각각의 촉매층은 이오노머를 포함하고,
수소 이온을 전달하는 어느 하나의 촉매층의 이오노머 함량은 상기 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 다른 하나의 촉매층의 이오노머 함량보다 높은 연료전지용 전극.1. A fuel cell electrode comprising a plurality of catalyst layers,
Wherein each of the catalyst layers comprises an ionomer,
Wherein the ionomer content of one of the catalyst layers for transporting the hydrogen ions is higher than the ionomer content of the other one of the catalyst layers for receiving hydrogen ions from the catalyst layer. 청구항 1에 있어서,
상기 각각의 촉매층의 공극률은 상기 이오노머의 함량과 반비례하는 것인 연료전지용 전극.The method according to claim 1,
Wherein the porosity of each of the catalyst layers is inversely proportional to the content of the ionomer. 청구항 1에 있어서,
상기 연료전지용 전극은 수소 이온을 전달하는 제1 촉매층 및 상기 제1 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제2 촉매층을 포함하는 2층 구조이고,
상기 제1 촉매층은 상기 제2 촉매층 상에 구비되는 것인 연료전지용 전극. The method according to claim 1,
Wherein the electrode for a fuel cell has a two-layer structure including a first catalyst layer for transferring hydrogen ions and a second catalyst layer for receiving hydrogen ions from the first catalyst layer,
Wherein the first catalyst layer is provided on the second catalyst layer. 청구항 3에 있어서,
상기 연료전지용 전극은 애노드이고,
상기 애노드의 일 면은 수소 이온 배출부를 포함하며,
상기 제1 촉매층은 수소 이온 배출부를 제외한 상기 제2 촉매층 상에 구비되는 것인 연료전지용 전극. The method of claim 3,
Wherein the electrode for the fuel cell is an anode,
One surface of the anode includes a hydrogen ion discharging portion,
Wherein the first catalyst layer is provided on the second catalyst layer except the hydrogen ion discharging portion. 청구항 3에 있어서,
상기 연료전지용 전극은 캐소드이고,
상기 캐소드의 적어도 일 면은 수분 배출부를 포함하며,
상기 제1 촉매층은 상기 수분 배출부를 제외한 상기 제2 촉매층 상에 구비되는 것인 연료전지용 전극.The method of claim 3,
Wherein the electrode for the fuel cell is a cathode,
At least one surface of the cathode including a water discharge portion,
Wherein the first catalyst layer is provided on the second catalyst layer except for the water discharging portion. 청구항 3에 있어서,
상기 제1 촉매층의 이오노머 함량은 상기 제1 촉매층에 포함되는 촉매의 함량 100 중량부를 기준으로 40 중량부 이상 60 중량부 미만이고,
상기 제2 촉매층의 이오노머 함량은 상기 제2 촉매층에 포함되는 촉매의 함량 100 중량부를 기준으로 20 중량부 이상 40 중량부 미만인 것인 연료전지용 전극.The method of claim 3,
The ionomer content of the first catalyst layer is 40 to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst contained in the first catalyst layer,
Wherein the ionomer content of the second catalyst layer is in the range of 20 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst contained in the second catalyst layer. 청구항 3에 있어서,
상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층 두께는 각각 상기 촉매층 총 두께의 20% 내지 80%인 것인 연료전지용 전극. The method of claim 3,
Wherein a thickness of the first catalyst layer and a thickness of the second catalyst layer are respectively 20% to 80% of the total thickness of the catalyst layer. 다구항 1에 있어서,
상기 연료전지용 전극은 수소 이온을 전달하는 제1 촉매층, 상기 제1 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제2 촉매층 및 상기 제2 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제3 촉매층을 포함하는 3층 구조이고,
상기 제1 촉매층은 상기 제2 촉매층 상에 구비되고, 상기 제2 촉매층은 상기 제3 촉매층 상에 구비되는 것인 연료전지용 전극.In paragraph 1,
The electrode for a fuel cell has a three-layer structure including a first catalyst layer for transferring hydrogen ions, a second catalyst layer for receiving hydrogen ions from the first catalyst layer, and a third catalyst layer for receiving hydrogen ions from the second catalyst layer,
Wherein the first catalyst layer is provided on the second catalyst layer and the second catalyst layer is provided on the third catalyst layer. 청구항 8에 있어서,
상기 연료전지용 전극은 애노드이고,
상기 애노드의 일 면은 수소 이온 배출부를 포함하며,
상기 제1 촉매층은 수소 이온 배출부를 제외한 상기 제2 촉매층 및 제3 촉매층 상에 구비되는 것인 연료전지용 전극.The method of claim 8,
Wherein the electrode for the fuel cell is an anode,
One surface of the anode includes a hydrogen ion discharging portion,
Wherein the first catalyst layer is provided on the second catalyst layer and the third catalyst layer except the hydrogen ion discharging portion. 청구항 8에 있어서,
상기 연료전지용 전극은 캐소드이고,
상기 캐소드의 적어도 일 면은 수분 배출부를 포함하며,
상기 제1 촉매층은 상기 수분 배출부를 제외한 상기 제2 촉매층 및 상기 제3 촉매층 상에 구비되는 것인 연료전지용 전극.The method of claim 8,
Wherein the electrode for the fuel cell is a cathode,
At least one surface of the cathode including a water discharge portion,
Wherein the first catalyst layer is provided on the second catalyst layer and the third catalyst layer excluding the moisture discharging portion. 청구항 8에 있어서,
상기 제1 촉매층의 이오노머 함량은 상기 제1 촉매층에 포함되는 촉매의 함량 100 중량부를 기준으로 40 중량부 이상 60 중량부 미만이고,
상기 제2 촉매층의 이오노머 함량은 상기 제2 촉매층에 포함되는 촉매의 함량 100 중량부를 기준으로 30 중량부 이상 40 중량부 미만이며,
상기 제3 촉매층의 이오노머 함량은 상기 제3 촉매층에 포함되는 촉매의 함량 100 중량부를 기준으로 20 중량부 이상 30 중량부 미만인 것인 연료전지용 전극. The method of claim 8,
The ionomer content of the first catalyst layer is 40 to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst contained in the first catalyst layer,
The content of the ionomer in the second catalyst layer is 30 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst contained in the second catalyst layer,
Wherein the ionomer content of the third catalyst layer is 20 parts by weight or more and less than 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst contained in the third catalyst layer. 청구항 8에 있어서,
상기 제1 촉매층, 상기 제2 촉매층 및 상기 제3 촉매층의 두께는 각각 상기 촉매층 총 두께의 20% 내지 40%인 것인 연료전지용 전극. The method of claim 8,
Wherein the thicknesses of the first catalyst layer, the second catalyst layer, and the third catalyst layer are respectively 20% to 40% of the total thickness of the catalyst layer. 애노드; 상기 애노드에 대향하여 구비되는 캐소드; 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 구비되는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체로서,
상기 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나는 청구항 1 내지 12 중 어느 하나에 따른 연료전지용 전극을 포함하는 막전극 접합체. Anode; A cathode opposite to the anode; And an electrolyte membrane provided between the anode and the cathode,
Wherein at least one of the anode and the cathode comprises the electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 12. 청구항 13에 있어서,
상기 애노드는 수소 이온을 전달하는 제1 촉매층 및 상기 제1 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제2 촉매층을 포함하는 2층 구조이고,
상기 제2 촉매층은 상기 전해질막에 접하여 구비되는 것인 막전극 접합체.14. The method of claim 13,
Wherein the anode has a two-layer structure including a first catalyst layer for transferring hydrogen ions and a second catalyst layer for receiving hydrogen ions from the first catalyst layer,
And the second catalyst layer is provided in contact with the electrolyte membrane. 청구항 13에 있어서,
상기 캐소드는 수소 이온을 전달하는 제1 촉매층 및 상기 제1 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제2 촉매층을 포함하는 2층 구조이고,
상기 제1 촉매층은 상기 전해질막에 접하여 구비되는 것인 막전극 접합체. 14. The method of claim 13,
Wherein the cathode has a two-layer structure including a first catalyst layer for transferring hydrogen ions and a second catalyst layer for receiving hydrogen ions from the first catalyst layer,
Wherein the first catalyst layer is provided in contact with the electrolyte membrane. 청구항 13에 있어서,
상기 애노드는 수소 이온을 전달하는 제1 촉매층, 상기 제1 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제2 촉매층 및 상기 제2 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제3 촉매층을 포함하는 3층 구조이고,
상기 제3 촉매층은 상기 전해질막에 접하여 구비되는 것인 막전극 접합체.14. The method of claim 13,
The anode has a three-layer structure including a first catalyst layer for transferring hydrogen ions, a second catalyst layer for receiving hydrogen ions from the first catalyst layer, and a third catalyst layer for receiving hydrogen ions from the second catalyst layer,
And the third catalyst layer is provided in contact with the electrolyte membrane. 청구항 13에 있어서,
상기 캐소드는 수소 이온을 전달하는 제1 촉매층, 상기 제1 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제2 촉매층, 상기 제2 촉매층으로부터 수소 이온을 전달받는 제3 촉매층을 포함하는 3층 구조이고,
상기 제1 촉매층은 상기 전해질막에 접하여 구비되는 것인 막전극 접합체.14. The method of claim 13,
The cathode has a three-layer structure including a first catalyst layer for transferring hydrogen ions, a second catalyst layer for receiving hydrogen ions from the first catalyst layer, and a third catalyst layer for receiving hydrogen ions from the second catalyst layer,
Wherein the first catalyst layer is provided in contact with the electrolyte membrane. 청구항 13에 따른 막전극 접합체를 포함하는 연료전지. A fuel cell comprising a membrane electrode assembly according to claim 13.
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