KR20160011487A - Membrane electrode assembly and fuel cell including the same - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a membrane electrode conjugate and a fuel cell comprising the membrane electrode conjugate. The membrane electrode conjugate comprises: a cathode; an anode; and an electrolyte membrane interposed between the cathode and the anode, wherein each of the cathode and the anode comprises: a catalyst layer which comes in contact with the electrolyte membrane; a hydrophilic micro-pore layer which comes in contact with the catalyst layer; and a gas diffusing layer which comes in contact with the micro-pore layer.

Description

막전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지{Membrane electrode assembly and fuel cell including the same}[0001] Membrane Electrode Assembly and Fuel Cell Including the Membrane Electrode [0002]

막전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.Membrane electrode assembly and a fuel cell including the membrane electrode assembly.

연료전지는 천연가스, 메탄올, 에탄올 등 탄화수소 계열의 물질에서 얻을 수 있는 수소와 공기 중의 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 장치로서 고효율, 고에너지밀도를 갖는다. 이러한 연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 전해질의 선택에 따라 다양한 구동 온도를 가지며, 단위 전지가 적층된 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있다. 따라서 연료전지는 소형 및 이동용 전원으로부터 대규모 발전에 이르기까지 다양한 적용이 가능한 에너지원으로서 주목 받고 있다.BACKGROUND ART A fuel cell is a power generation device that converts chemical energy of hydrogen and oxygen in the air directly to electric energy, which can be obtained from a hydrocarbon-based material such as natural gas, methanol, and ethanol, and has high efficiency and high energy density. Such a fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, has various operating temperatures depending on the selection of electrolyte, and has an advantage of outputting a wide range of output by stacking stacked unit cells. Therefore, fuel cells are attracting attention as energy sources that can be applied in various applications ranging from compact and mobile power sources to large-scale power generation.

연료전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질 연료전지(수소이온 교환막 연료전지)(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)가 있다. 상기 연료전지는 전해질로서 수소이온 전도가 가능한 고분자막을 이용한다.Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct methanol fuel cell (DMFC). The fuel cell uses a polymer membrane capable of conducting hydrogen ion conductivity as an electrolyte.

특히 고분자 전해질 연료전지는 모바일 전자기기, 휴대용 전원, 소형 열병합발전, 그리고 자동차에 이르는 다양한 분야에 적용이 가능하다. 고분자 전해질 연료전지는 통상적으로 캐소드와 애노드, 그리고 그 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 연료와 공기를 공급하는 유로를 포함하는 플레이트로 구성된다. 애노드에서는 수소 산화 반응을 통해 프로톤이 생성되며, 생성된 프로톤은 고분자 전해질막을 통과하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 산소 환원 반응을 통해 물이 생성된다.In particular, polymer electrolyte fuel cells can be applied to various fields ranging from mobile electronic devices, portable power sources, small cogeneration, and automobiles. A polymer electrolyte fuel cell typically comprises a membrane-electrode assembly (MEA) including a cathode, an anode, and a polymer electrolyte membrane disposed therebetween, and a plate including a flow path for supplying fuel and air. In the anode, protons are generated through hydrogen oxidation reaction, and the generated protons pass through the polymer electrolyte membrane and move to the cathode. At the cathode, water is produced through an oxygen reduction reaction.

90℃ 이하의 온도에서 작동하는 저온 고분자 전해질 연료전지에서 산소 환원 반응을 통하여 생성되는 물을 배출하지 못하면 물이 기공을 막아 연료의 공급을 방해하는 플러딩(flooding)이 발생한다. 따라서, 이러한 플러딩을 방지하기 위하여 전극의 미세기공층 및/또는 가스확산층이 발수성을 가지도록 불소계 화합물과 같은 소수성 화합물을 첨가하여 생성되는 물의 배출을 용이하게 한다.In a low-temperature polyelectrolyte fuel cell operating at a temperature of 90 ° C or less, if water produced through the oxygen reduction reaction is not discharged, water floods and flooding occurs which interferes with fuel supply. Therefore, in order to prevent such flooding, a hydrophobic compound such as a fluorine-based compound is added to facilitate the discharge of the generated water so that the microporous layer and / or the gas diffusion layer of the electrode have water repellency.

한편, 90℃ 이상의 온도에서 작동하는 고온 고분자 전해질 연료전지는 고출력을 얻을 수 있으나 상기 온도 범위에서 물이 쉽게 증발하여 이오노머 및 멤브레인의 프로톤 전도도가 떨어져 출력이 저하된다. 따라서, 고온 저가습 조건(예를 들어, 120℃, 40% 이하의 상대습도)에서 높은 출력을 제공하는 막전극 접합체가 요구된다.On the other hand, a high-temperature polyelectrolyte fuel cell operating at a temperature of 90 ° C or higher can obtain a high output, but the water easily evaporates in the above-mentioned temperature range, and the proton conductivity of the ionomer and the membrane is lowered. Therefore, there is a demand for a membrane electrode assembly which provides high output at high temperature and low humidity (for example, 120 DEG C, relative humidity of 40% or less).

한 측면은 친수성 미세기공층을 포함하는 막전극접합체를 제공하는 것이다.One aspect is to provide a membrane electrode assembly comprising a hydrophilic microporous layer.

다른 한 측면은 상기 막전극접합체를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다. And another aspect thereof is to provide a fuel cell including the membrane electrode assembly.

한 측면에 따라On one side

캐소드; 애노드; 및 이들 사이에 개재된 전해질막을 포함하며,Cathode; Anode; And an electrolyte membrane sandwiched therebetween,

상기 캐소드 및 상기 애노드가 각각The cathode and the anode are

상기 전해질막과 접촉하는 촉매층;A catalyst layer in contact with the electrolyte membrane;

상기 촉매층과 접촉하는 친수성 미세기공층; 및A hydrophilic microporous layer in contact with the catalyst layer; And

상기 미세기공층과 접촉하는 가스 확산층을 포함하는 막전극접합체가 제공된다.There is provided a membrane electrode assembly including a gas diffusion layer in contact with the microporous layer.

다른 한 측면에 따라 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지가 제공된다.According to another aspect, there is provided a fuel cell including the membrane electrode assembly.

친수성 미세기공층을 포함함에 의하여 막전극접합체의 함수 능력이 향상되어 고온 및 낮은 상대습도에서도 우수한 성능을 갖는 연료전지를 제공할 수 있다.By including the hydrophilic microporous layer, it is possible to provide a fuel cell having improved capability of membrane electrode assembly and excellent performance even at high temperature and low relative humidity.

도 1은 일 구현예에 따른 연료전지의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 막전극 접합체(MEA)의 단면 모식도이다.
도 3은 실시예 1, 5 및 비교예 2에서 제조된 단위 전지의 교류 임피던스를 측정한 그래프이다.
도 4는 실시예 1, 2, 5 및 비교예 1 내지 2의 단위 전지의 전류 밀도(current density)에 대한 전지 전위(cell voltage)를 측정한 그래프이다.
도 5는 실시예 3 내지 6의 단위 전지의 전류 밀도(current density)에 대한 전지 전위(cell voltage)를 측정한 그래프이다.
1 is an exploded perspective view showing a structure of a fuel cell according to one embodiment.
2 is a cross-sectional schematic diagram of a membrane electrode assembly (MEA) according to one embodiment.
FIG. 3 is a graph showing AC impedance of the unit cells manufactured in Examples 1 and 5 and Comparative Example 2. FIG.
FIG. 4 is a graph showing the cell voltage versus current density of the unit cells of Examples 1, 2 and 5 and Comparative Examples 1 and 2. FIG.
FIG. 5 is a graph showing the cell voltage versus current density of the unit cells of Examples 3 to 6. FIG.

이하에서 예시적인 구현예들에 따른 막전극접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the membrane electrode assembly according to exemplary embodiments and the fuel cell including the membrane electrode assembly will be described in more detail.

본 명세서에서 "저습도(low relative humidity)"란 0% 보다 크고 약 80% 이하인 범위의 상대 습도(relative humidity)를 의미한다.As used herein, "low relative humidity " means a relative humidity in the range of greater than 0% to less than about 80%.

본 명세서에서 "친수성(hydrophilic)"이란 용어는 "소수성(hydrophobic)"에 반대되는 개념으로서 수분에 대한 친화도가 높아서 수분을 함유할 수 있는 성질을 의미한다.As used herein, the term " hydrophilic " refers to a property opposite to "hydrophobic ", which has a high affinity for moisture and can contain moisture.

한 측면에 따라 캐소드; 애노드; 및 이들 사이에 개재된 전해질막을 포함하며, 상기 캐소드 및 상기 애노드가 각각 상기 전해질막과 접촉하는 촉매층; 상기 촉매층과 접촉하고 친수성 미세기공층; 및 상기 미세기공층과 접촉하는 가스 확산층을 포함하는 막전극접합체가 제공된다.A cathode according to one aspect; Anode; And an electrolyte membrane sandwiched therebetween, wherein the cathode and the anode each are in contact with the electrolyte membrane; A hydrophilic microporous layer in contact with the catalyst layer; And a gas diffusion layer in contact with the microporous layer.

일구현예에 따른 막전극접합체에서 캐소드 및 애노드가 동시에 친수성 미세기공층을 포함함에 의하여 90℃ 이상의 고온 및 80% 이하의 낮은 상대습도에서도 막전극접합체 내부의 수분 함량을 높게 유지할 수 있으므로 수소이온전도도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 결과적으로, 캐소드 및 애노드가 동시에 친수성 미세기공층을 포함하는 막전극접합체를 채용함에 의하여, 고온 고분자 전해질 연료전지의 출력특성이 향상될 수 있다.Since the cathode and the anode simultaneously include the hydrophilic microporous layer in the membrane electrode assembly according to one embodiment, the moisture content in the membrane electrode assembly can be kept high even at a high temperature of 90 ° C or higher and a relative humidity of 80% or less, Can be prevented from being lowered. As a result, the output characteristics of the high temperature polyelectrolyte fuel cell can be improved by employing the membrane electrode assembly in which the cathode and the anode simultaneously include the hydrophilic microporous layer.

일구현예에 따른 막전극접합체에서 친수성 미세기공층의 두께가 1㎛ 이상일 수 있다. 예를 들어, 친수성 미세기공층의 두께는 1㎛ 내지 100㎛ 일 수 있다. 예를 들어, 친수성 미세기공층의 두께는 10㎛ 내지 100㎛ 일 수 있다. 예를 들어, 친수성 미세기공층의 두께는 20㎛ 내지 60㎛ 일 수 있다. 친수성 미세기공층의 두께가 1㎛ 미만이면 막전극접합체 내부의 수분 함량을 높게 유지하기 어려울 수 있다. 친수성 미세기공층의 두께가 100㎛ 초과이면 연료가 미세기공층을 투과하기 어려워 연료 공급이 어려울 수 있다.The thickness of the hydrophilic microporous layer in the membrane electrode assembly according to one embodiment may be 1 탆 or more. For example, the thickness of the hydrophilic microporous layer may be between 1 탆 and 100 탆. For example, the thickness of the hydrophilic microporous layer may be between 10 μm and 100 μm. For example, the thickness of the hydrophilic microporous layer may be 20 [mu] m to 60 [mu] m. If the thickness of the hydrophilic microporous layer is less than 1 mu m, it may be difficult to maintain the moisture content inside the membrane electrode assembly at a high level. If the thickness of the hydrophilic microporous layer is more than 100 mu m, fuel may be difficult to permeate through the microporous layer, and fuel supply may be difficult.

일구현예에 따른 막전극접합체에서 친수성 미세기공층은 다공성 소재 및 다공성 소재 상에 도입된 친수성 코팅층을 포함할 수 있다. 즉, 친수성 미세기공층은 다공성 소재를 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 형성된 친수성 코팅층으로 이루어진 코어/쉘 구조를 가질 수 있다. 친수성 코팅층은 다공성 소재의 표면의 일부 또는 전부에 도입될 수 있다.In a membrane electrode assembly according to one embodiment, the hydrophilic microporous layer may comprise a porous material and a hydrophilic coating layer introduced onto the porous material. That is, the hydrophilic microporous layer may have a core / shell structure composed of a core containing a porous material and a hydrophilic coating layer formed on the core. The hydrophilic coating layer may be introduced into part or all of the surface of the porous material.

일구현예에 따른 막전극접합체에서 다공성 소재의 비표면적은 50 m2/g 이상일 수 있다. 예를 들어, 다공성 소재의 비표면적이 200 m2/g 이상일 수 있다. 예를 들어, 다공성 소재의 비표면적이 50~2000 m2/g일 수 있다. 예를 들어, 다공성 소재의 비표면적이 50~1000 m2/g일 수 있다. 예를 들어, 다공성 소재의 비표면적이 200 ~1000 m2/g일 수 있다. 다공성 소재의 비표면적이 50 m2/g 미만이면 다공성 소재 상에 친수성 코팅층을 도입하여도 친수성 미세기공층에 의한 출력향상 효과가 미미할 수 있다.The specific surface area of the porous material in the membrane electrode assembly according to one embodiment may be 50 m 2 / g or more. For example, the specific surface area of the porous material may be 200 m 2 / g or more. For example, the specific surface area of the porous material may be 50 to 2000 m 2 / g. For example, the specific surface area of the porous material may be 50 to 1000 m 2 / g. For example, the specific surface area of the porous material may be 200 to 1000 m 2 / g. If the specific surface area of the porous material is less than 50 m 2 / g, even if a hydrophilic coating layer is introduced on the porous material, the effect of improving the output by the hydrophilic microporous layer may be insignificant.

일구현예에 따른 막전극접합체에서 다공성 소재의 평균입경이 20nm 이상일 수 있다. 예를 들어, 다공성 소재의 평균 입경이 100nm 이상일 수 있다. 예를 들어, 다공성 소재의 평균 입경이 20nm 내지 이상일 수 있다. 예를 들어, 다공성 소재의 평균 입경이 20nm 내지 10㎛ 일 수 있다. 예를 들어, 다공성 소재의 평균 입경이 100nm 내지 10㎛ 일 수 있다. 다공성 소재의 평균입경이 20nm 이하이면 다공성 소재 사이의 빈 공간을 통해 물이 용이하게 배출됨에 의하여 미세기공층 내의 수분 함량이 저하될 수 있다.The average particle diameter of the porous material in the membrane electrode assembly according to one embodiment may be 20 nm or more. For example, the average particle size of the porous material may be 100 nm or more. For example, the average particle size of the porous material may be 20 nm or more. For example, the average particle diameter of the porous material may be 20 nm to 10 탆. For example, the average particle size of the porous material may be 100 nm to 10 탆. If the average particle diameter of the porous material is 20 nm or less, the water content in the microporous layer may be lowered due to the water being easily discharged through the void space between the porous materials.

일구현예에 따른 막전극접합체의 미세기공층에서 다공성 소재의 함량이 0.2 내지 4 mg/cm2 일 수 있다. 예를 들어, 미세기공층에서 다공성 소재의 함량이 1 내지 4 mg/cm2 일 수 있다. 예를 들어, 미세기공층에서 다공성 소재의 함량이 1 내지 3 mg/cm2 일 수 있다. 미세기공층에서 다공성 소재의 함량이 0.2 mg/cm2 미만이면 미세기공층의 두께가 지나치게 얇아져 막전극접합체 내부의 수분 함량을 높게 유지하기 어려울 수 있다. 또한, 미세기공층에서 다공성 소재의 함량이 4 mg/cm2 초과이면 친수성 미세기공층의 두께가 지나치게 두꺼워져 연료가 미세기공층을 투과하기 어려울 수 있다.The content of the porous material in the microporous layer of the membrane electrode assembly according to one embodiment may be 0.2 to 4 mg / cm 2 . For example, the content of the porous material in the microporous layer may be 1 to 4 mg / cm 2 . For example, the content of the porous material in the microporous layer may be 1 to 3 mg / cm 2 . If the content of the porous material in the microporous layer is less than 0.2 mg / cm 2, the thickness of the microporous layer becomes too thin, and it may be difficult to maintain the moisture content inside the membrane electrode assembly at a high level. If the content of the porous material in the microporous layer is more than 4 mg / cm 2, the thickness of the hydrophilic microporous layer may become excessively thick and the fuel may be difficult to permeate the microporous layer.

일구현예에 따른 막전극접합체의 미세기공층에서 다공성 소재는 탄소계 소재일 수 있다. 다공성 소재가 탄소계 소재임에 의하여 미세기공층이 높은 전도도를 가질 수 있다. 예를 들어, 다공성 소재가 메조다공성(mesoporous) 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 탄소나노와이어, 활성탄, 카본 블랙 및 그라파이트(graphite) 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 연료전지의 다공성 소재로 사용될 수 있는 전도성 탄소계 소재라면 모두 가능하다.In one embodiment, the porous material in the microporous layer of the membrane electrode assembly may be a carbonaceous material. Since the porous material is a carbon-based material, the microporous layer can have a high conductivity. For example, the porous material may include, but is not necessarily limited to, at least one selected from mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, activated carbon, carbon black, and graphite Any conductive carbon-based material that can be used as a porous material of a fuel cell in the related art is available.

미세기공층에서 미세기공층 기공의 20 내지 80% 가 20 내지 500nm의 기공크기를 가질 수 있다. 미세기공층이 상기 범위의 기공 크기를 가짐에 의하여 높은 수분 함량과 양호한 연료의 통과가 동시에 구현될 수 있다.20 to 80% of the pores of the microporous layer in the microporous layer may have a pore size of 20 to 500 nm. By having the pore size of the microporous layer within the above range, a high moisture content and a good fuel passage can be realized at the same time.

일구현예에 따른 막전극접합체의 미세기공층에서 친수성 코팅층은 친수성 관능기(hydrophilic functional group)를 포함할 수 있다. 친수성 코팅층이 친수성 관능기를 포함함에 의하여 수분을 흡수 및 보유하는 능력을 가질 수 있다. 예를 들어, 친수성 관능기는 카르복실기, 에테르기, 히드록시기, 포스포늄기, 술폰기, 아민기, 피리딘기, 아미드기, 및 아크릴릭기 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 친수성 관능기로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.The hydrophilic coating layer in the microporous layer of the membrane electrode assembly according to an embodiment may include a hydrophilic functional group. The hydrophilic coating layer may have the ability to absorb and retain moisture by including a hydrophilic functional group. For example, the hydrophilic functional group may include at least one selected from a carboxyl group, an ether group, a hydroxyl group, a phosphonium group, a sulfone group, an amine group, a pyridine group, an amide group and an acrylic group, Anything that can be used as a hydrophilic functional group in the technical field is possible.

일구현예에 따른 막전극접합체에서 미세기공층의 친수성 코팅층은 다공성 소재상에 공유결합된 친수성 관능기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 산처리 또는 플라즈마 처리를 통하여 다공성 소재상에 하이드록시기와 같은 친수성 관능기가 직접 공유결합되어 친수성 코팅층을 형성할 수 있다.In one embodiment, the hydrophilic coating layer of the microporous layer in the membrane electrode assembly may comprise a covalently bonded hydrophilic functional group on the porous material. For example, a hydrophilic functional group such as a hydroxy group may be directly covalently bonded to the porous material through an acid treatment or a plasma treatment to form a hydrophilic coating layer.

일구현예에 따른 막전극접합체에서 미세기공층의 친수성 코팅층은 친수성 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다공성 소재상에 친수성 고분자를 코팅하여 친수성 코팅층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 친수성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol, PVA), 폴리비닐피리딘(polyvinylpyridine, PVP), 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리알릴아민(polyallylamine), 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine), 폴리알킬옥사졸린(polyalkyloxazoline) 및 폴리알킬아민(polyalkylamine) 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 친수성 고분자로 사용할 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 상기 친수성 고분자는 미세기공층에만 적용되며 촉매층에는 적용되지 않으므로, 촉매층의 촉매 활성을 저하시키지 않을 수 있다.The hydrophilic coating layer of the microporous layer in the membrane electrode assembly according to one embodiment may include a hydrophilic polymer. For example, the hydrophilic polymer may be coated on the porous material to form a hydrophilic coating layer. For example, the hydrophilic polymer may be selected from the group consisting of polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylpyridine (PVP), polyacrylic acid (PAA), polyacrylamide, polyallylamine, but not limited to, polyethyleneimine, polyalkyloxazoline, and polyalkylamine. Any material can be used as long as it can be used as a hydrophilic polymer in the related art. For example, the hydrophilic polymer is applied only to the microporous layer and is not applied to the catalyst layer, so that the catalytic activity of the catalyst layer may not be lowered.

일구현예에 따른 막전극접합체에서 친수성 코팅층의 함량이 미세기공층 총 중량의 1 내지 10중량%일 수 있다. 친수성 코팅층이 함량이 1중량% 미만이면 막전극접합체 내부의 수분 함량을 높게 유지하기 어려울 수 있다. 또한, 친수성 코팅층의 함량이 10중량% 초과이면 친수성 코팅층의 두께가 지나치게 두꺼워져 연료가 미세기공층을 투과하기 어려울 수 있다.The amount of the hydrophilic coating layer in the membrane electrode assembly according to one embodiment may be 1 to 10% by weight of the total weight of the microporous layer. If the content of the hydrophilic coating layer is less than 1% by weight, it may be difficult to maintain the moisture content inside the membrane electrode assembly at a high level. If the content of the hydrophilic coating layer is more than 10% by weight, the thickness of the hydrophilic coating layer becomes too thick and the fuel may be difficult to permeate through the microporous layer.

막전극접합체에서 캐소드 및 애노드 각각의 촉매층은 촉매 물질 및 바인더 수지를 포함할 수 있다.The catalyst layer of each of the cathode and the anode in the membrane electrode assembly may comprise a catalyst material and a binder resin.

촉매 물질은 담체 및 이에 담지된 촉매 금속을 포함할 수 있다. 담체는 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어, 카본나노혼, 카본에어로젤, 카본크레로겔 또는 탄소나노링과 같은 탄소계 담체일 수 있고, 이들 중 2 이상을 포함할 수도 있다. 탄소계 담체는 평균 직경이 예를 들어 20nm 내지 50nm 범위일 수 있다.The catalytic material may comprise a carrier and a catalytic metal supported thereon. The carrier may be a carbon carrier such as carbon powder, carbon black, acetylene black, Ketjenblack, activated carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanohorn, carbon airgel, And may include two or more of these. The carbon-based carrier may have an average diameter in the range of, for example, 20 nm to 50 nm.

일구현예에 따른 막전극접합체에서 촉매층이 카본계 담체 위에 담지된 촉매금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 촉매 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)-팔라듐(Pd) 합금, 백금(Pt)-루테늄(Ru) 합금, 백금(Pt)-이리듐(Ir) 합금, 백금(Pt)-오스뮴 합금, 백금(Pt)-M 합금 (M은 Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Ga 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 촉매 금속은 평균 입경 10nm 이하의 나노 입자일 수 있다. 입자 크기가 10nm보다 크면 입자의 표면적이 너무 작아서 활성이 낮아질 수 있다. 예를 들어, 촉매 금속 입자의 평균 입경은 2nm 내지 10nm 또는 3nm 내지 8nm 일 수 있다.In a membrane electrode assembly according to an embodiment, a catalyst layer may include a catalyst metal supported on a carbonaceous carrier. For example, the catalytic metal may be selected from the group consisting of platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), platinum (Pt) V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh) alloy, platinum (Pt) - iridium (Ir) alloy, platinum (Pt) - osmium alloy, platinum , Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Ga, and Sn), or a combination thereof. However, the present invention is not limited thereto. The catalyst metal may be nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm or less. If the particle size is larger than 10 nm, the surface area of the particles may be too small and the activity may be lowered. For example, the average particle size of the catalytic metal particles may be between 2 nm and 10 nm or between 3 nm and 8 nm.

예를 들어, 촉매 물질은 탄소계 담체에 담지된 백금계 촉매일 수 있다. 예를 들어, 촉매 물질은 탄소 분말에 담지된 백금과 코발트의 합금(PtCo/C)일 수 있다.For example, the catalyst material may be a platinum-based catalyst supported on a carbon-based support. For example, the catalyst material may be an alloy of platinum and cobalt (PtCo / C) supported on a carbon powder.

예를 들어, 애노드 촉매층의 촉매 금속의 로딩량은 0.1 내지 2.0mg/cm2 이고, 상기 캐소드 촉매층의 촉매 금속의 로딩량은 0.1 내지 2.0mg/cm2 일 수 있다.For example, the loading amount of the catalyst metal in the anode catalyst layer may be 0.1 to 2.0 mg / cm 2 , and the loading amount of the catalyst metal in the cathode catalyst layer may be 0.1 to 2.0 mg / cm 2 .

예를 들어, 애노드 및 캐소드 각각 촉매층에서 촉매 금속의 함량은 촉매 금속과 담체의 총중량 즉 담지 촉매의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 90 중량부, 예를 들어 20 내지 80 중량부, 구체적으로 30 내지 60 중량부일 수 있다.For example, the content of the catalyst metal in each of the anode and the cathode in the catalyst layer is 10 to 90 parts by weight, for example, 20 to 80 parts by weight, more preferably 30 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the catalyst metal and the support, To 60 parts by weight.

바인더 수지는 수소이온 전도성 고분자 수지일 수 있다. 수소이온 전도성 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 또는 이들의 공중합체 등을 들 수 있다. 구체적으로 상기 수소이온 전도성 고분자 수지는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(Poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 또는 이들의 공중합체를 포함할 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 수소이온 전도성 고분자로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.The binder resin may be a hydrogen ion conductive polymer resin. Representative examples of the hydrogen-ion conductive polymer resin include fluoro-based polymers, benzimidazole-based polymers, polyimide-based polymers, polyetherimide-based polymers, polyphenylene sulfide-based polymers, polysulfone-based polymers, polyether sulfone- Ether ketone-based polymers, polyether-ether ketone-based polymers, polyphenylquinoxaline-based polymers, or copolymers thereof. Specifically, the proton conductive polymer resin may be at least one selected from the group consisting of poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, Ketone, aryl ketone, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole, poly (2,5-benzimidazole), or copolymers thereof, but is not limited thereto and can be used as long as it can be used as a hydrogen ion conductive polymer in the related art.

예를 들어, 촉매층은 20-100nm 크기의 기공의 부피가 0.03-0.06 mL/g 일 수 있다.For example, the catalyst layer may have a volume of pores of 20-100 nm in size of 0.03-0.06 mL / g.

예를 들어, 전극 반응을 효과적으로 활성화시키고, 전기 저항이 과도하게 증가하지 않도록 촉매층의 두께가 1㎛ 내지 100㎛ 일 수 있다. 예를 들어, 촉매층의 두께가 5㎛ 내지 80㎛ 일 수 있다. 예를 들어, 촉매층의 두께가 10㎛ 내지 60㎛ 일 수 있다.For example, the thickness of the catalyst layer may be 1 탆 to 100 탆 so that the electrode reaction is effectively activated and the electrical resistance is not excessively increased. For example, the thickness of the catalyst layer may be between 5 탆 and 80 탆. For example, the thickness of the catalyst layer may be 10 [mu] m to 60 [mu] m.

막전극접합체에서 전해질막은 이온전도성 고분자를 포함할 수 있다. 애노드의 촉매층에서 연료가 이온화되어 발생한 수소 이온(H+)이 전해질막을 통과하여 캐소드의 촉매층으로 전달된다.The electrolyte membrane in the membrane electrode assembly may comprise an ion conductive polymer. The hydrogen ions (H + ) generated by ionization of the fuel in the catalyst layer of the anode pass through the electrolyte membrane and are transferred to the catalyst layer of the cathode.

일구현예에 따른 막전극접합체에서 전해질막은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(Poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 공중합체 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.The electrolyte membrane in the membrane electrode assembly according to one embodiment is not particularly limited, but may be, for example, poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), tetrafluoroethylene containing sulfonic acid group, Vinyl ether copolymers, defluorinated sulfated polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole (Poly (2,2 '- phenylene) -5,5'-bibenzimidazole, poly (2,5-benzimidazole), and copolymers thereof.

고분자 전해질은 술폰산기와 같은 친수성기를 가지므로, 이 친수성기에 의하여 친수성 영역이 형성된다. 이 친수성 영역 내에서는 수소 이온과 술폰산기 사이의 인력이 상대적으로 약하여 수소 이온이 물과 함께 자유로이 이동할 수 있다.Since the polymer electrolyte has a hydrophilic group such as a sulfonic acid group, a hydrophilic region is formed by this hydrophilic group. In this hydrophilic region, the attractive force between the hydrogen ion and the sulfonic acid group is relatively weak, so that the hydrogen ion can move freely with the water.

다른 측면에 따라 상술한 막전극접합체를 포함하는 연료전지가 제공된다.According to another aspect, there is provided a fuel cell including the membrane electrode assembly described above.

일구현예에 따른 연료전지는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)일 수 있다.The fuel cell according to one embodiment may be a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC).

도 1은 연료전지의 일구현예를 나타내는 분해 사시도이다. 도 1을 참조하면, 연료전지(100)는 2개의 단위셀(11)이 한 쌍의 홀더(12)에 협지되어 있다. 단위셀(11)은 막전극 접합체(10) 및 막전극 접합체(10)의 두께 방향의 양측에 배치된 바이폴라 플레이트(bipolar plate)(20)로 구성되어 있다. 바이폴라 플레이트(20)는 전도성을 갖는 금속 또는 탄소 등으로 구성될 수 있다. 바이폴라 플레이트(20)는 막전극 접합체(10)에 각각 접합함으로써 집전체로서 기능함과 동시에, 유로(channel)를 포함하고 있어서 막전극 접합체(10)의 촉매층에 대하여 연료 및 산소를 공급할 수 있다.1 is an exploded perspective view showing an embodiment of a fuel cell. Referring to FIG. 1, the fuel cell 100 has two unit cells 11 sandwiched between a pair of holders 12. The unit cell 11 is composed of a membrane electrode assembly 10 and a bipolar plate 20 disposed on both sides in the thickness direction of the membrane electrode assembly 10. The bipolar plate 20 may be made of a conductive metal, carbon, or the like. The bipolar plate 20 functions as a current collector by joining to the membrane electrode assembly 10 and includes a channel so that fuel and oxygen can be supplied to the catalyst layer of the membrane electrode assembly 10.

도 1의 연료전지(100)에는 2개의 단위셀(11)이 도시되어 있으나, 단위셀의 수는 2개에 한정되지 않고, 연료전지에 요구되는 특성에 따라 수십 내지 수백 개까지 늘릴 수도 있다.Although two unit cells 11 are shown in the fuel cell 100 of FIG. 1, the number of unit cells is not limited to two, and may be increased to several tens to several hundreds depending on characteristics required for a fuel cell.

도 2는 도 1의 연료전지를 구성하는 일 구현예에 따른 막전극 접합체(MEA)의 단면 모식도이다.2 is a cross-sectional schematic diagram of a membrane electrode assembly (MEA) according to one embodiment of the fuel cell of FIG.

도 2를 참조하면, 막전극 접합체(10)는 전해질막(1), 전해질막(1)의 두께 방향의 양측에 배치된 촉매층(5), 촉매층(5) 위의 친수성 미세다공층(8) 및 기체 확산층(9)을 포함한다. 일 측의 촉매층(5), 친수성 미세다공층(8) 및 기체 확산층(9)이 애노드를 구성하고, 다른 일 측의 촉매층(5), 친수성 미세다공층(8) 및 기체 확산층(9)이 캐소드를 구성한다.2, the membrane electrode assembly 10 includes an electrolyte membrane 1, a catalyst layer 5 disposed on both sides in the thickness direction of the electrolyte membrane 1, a hydrophilic microporous layer 8 on the catalyst layer 5, And a gas diffusion layer 9. The catalyst layer 5 on one side, the hydrophilic microporous layer 8 and the gas diffusion layer 9 constitute the anode and the catalyst layer 5 on the other side, the hydrophilic microporous layer 8 and the gas diffusion layer 9 Thereby constituting the cathode.

연료전지에서 연료가 산화되어 생성된 양성자(수소이온)가 애노드 전극에서 캐소드 전극으로 이동하는데, 이 때 양성자(수소이온)은 물과 함께 이온을 형성하여 이동한다. 따라서 연료전지의 전해질막과 전극 내부에 충분한 양의 수분이 존재해야 반응이 원활하게 일어날 수 있으므로, 연료전지는 100%에 가까운 고습도 환경에서 구동하는 것이 일반적이다. 그러나 90℃ 이상의 구동온도에서 작동하는 고온 고분자 전해질 연료전지에서는 물이 쉽게 증발하여 100%에 가까운 고습도 환경을 구현하기 어렵다.Proton (hydrogen ion) generated by oxidation of fuel in a fuel cell moves from the anode electrode to the cathode electrode. At this time, the proton (hydrogen ion) forms ions together with water and moves. Therefore, a sufficient amount of water must be present in the electrolyte membrane of the fuel cell and the inside of the electrode to smoothly perform the reaction. Therefore, the fuel cell generally operates in a high humidity environment close to 100%. However, in a high-temperature polyelectrolyte fuel cell operating at a driving temperature of 90 ° C or higher, water evaporates easily and it is difficult to realize a high-humidity environment close to 100%.

일구현예에 따른 연료전지에서 촉매층(5)과 기체확산층(9) 사이에 친수성 미세다공(8)층을 도입함으로써 막전극 접합체의 수분 함량을 향상시켜서 저습도 환경에서 양성자(수소이온)의 이동을 원할하게 할 수 있다.The hydrophilic microporous layer 8 is introduced between the catalyst layer 5 and the gas diffusion layer 9 in the fuel cell according to an embodiment of the present invention to improve the moisture content of the membrane electrode assembly so that proton (hydrogen ion) migration .

일구현예에 따른 연료전지는 예를 들어 90-250℃의 구동 온도, 0~80%의 상대 습도에서 구동될 수 있다. 예를 들어, 연료전지는 90~120℃의 구동 온도, 20~40%의 상대 습도에서 구동될 수 있다.The fuel cell according to one embodiment may be driven at a driving temperature of, for example, 90-250 DEG C, and a relative humidity of 0-80%. For example, the fuel cell can be operated at a driving temperature of 90 to 120 DEG C and a relative humidity of 20 to 40%.

연료전지의 구조 및 제조 방법은 특별히 한정되지 않으며, 구체적인 예가 각종 문헌에 상세히 공지되어 있으므로 여기에서는 더 이상 상세히 설명하지 않는다.
The structure and the manufacturing method of the fuel cell are not particularly limited, and specific examples thereof are well known in various documents and therefore will not be described in detail here.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

(a) 촉매 코팅막(Catalyst Coated Membrane, CCM)의 제조(a) Preparation of Catalyst Coated Membrane (CCM)

Pt 담지 탄소촉매(Pt/C)(Tanaka 社)와 이오노머(Aquivion™ R79-20BS)(화학당량(equivalent weight) 790g/mol SO3H, 1몰의 황산당 고분자의 무게)를 중량비 7:3 (Pt/C: 이오노머)으로 포함하는 촉매층 슬러리를 PTFE(polytetrafluoroethylene) 시트 위에 인쇄하여 2개의 PTFE 위의 촉매층을 형성하였다. 2개의 PTFE 위의 촉매층을 20㎛ 두께의 전해질막(Aquivion™ R79-02S)(몰당량 790g/mol SO3H)의 양면에 각각 전사하여 촉매층/전해질막/촉매층으로 이루어진 촉매 코팅막을 형성하였다. 이 때 각 촉매층 내의 Pt의 함량은 0.4mg/cm2, 촉매층의 형성 면적은 10cm2, 촉매층의 두께는 15 ㎛ 이었다.The weight ratio of the Pt-supported carbon catalyst (Pt / C) (Tanaka) to the ionomer (Aquivion ™ R79-20BS (equivalent weight 790 g / mol SO 3 H, (Pt / C: ionomer) was printed on a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet to form a catalyst layer on two PTFEs. The catalyst layers on the two PTFEs were transferred to both sides of an electrolyte membrane (Aquivion ™ R79-02S) (molar equivalent 790 g / mol SO 3 H) having a thickness of 20 μm to form a catalyst coating layer consisting of a catalyst layer / electrolyte membrane / catalyst layer. At this time, the content of Pt in each catalyst layer was 0.4 mg / cm 2 , the area of the catalyst layer was 10 cm 2 , and the thickness of the catalyst layer was 15 탆.

(b) 친수성 미세다공층의 형성(b) Formation of a hydrophilic microporous layer

아세틸렌 블랙 (acetylene black, 비표면적 70m2/g, 평균입경 30nm) 및 5 중량%의 폴리비닐알코올(PVA) 바인더를 함유한 미세다공층 슬러리를 2개의 기체확산층(Toray 060-plain) 위에 각각 2.0 mg/cm2의 함량 및 50 ㎛ 두께로 직접 코팅하였다.Microporous layer slurry containing acetylene black (specific surface area 70 m 2 / g, average particle diameter 30 nm) and 5 wt% polyvinyl alcohol (PVA) binder was applied onto two gas diffusion layers (Toray 060-plain) mg / cm < 2 > and a thickness of 50 [mu] m.

(c) 막전극 접합체 및 단위 전지의 제조(c) Production of membrane electrode assembly and unit cell

양면으로 촉매층이 접합된 전해질막을 친수성 미세다공층이 코팅된 기체확산층과 가스켓 사이에 삽입한 후 이것을 다시 일정 형상의 기체 유로(流路) 채널이 형성된 2개의 카본 플레이트 사이에 삽입하여 막전극 접합체를 형성하였다. 그리고 이것을 서스(SUS) 엔드 플레이트를 사용하여 체결하여 단위 전지를 제조하였다.An electrolyte membrane having a catalytic layer bonded on both sides thereof is inserted between a gas diffusion layer coated with a hydrophilic microporous layer and a gasket and then inserted between two carbon plates having a gas flow channel of a certain shape to form a membrane electrode assembly . Then, this was tightened using a SUS end plate to produce a unit cell.

실시예 2Example 2

벌칸 (VULCANㄾ XC72R, 비표면적 250 m2/g, 평균입경 30 nm)를 사용하여 2.2 mg/cm2의 함량 및 50 ㎛ 두께를 가진 미세기공층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 막전극 접합체 및 단위 전지를 제조하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that a microporous layer having a content of 2.2 mg / cm 2 and a thickness of 50 탆 was formed using Vulcan (VULCAN XC72R, specific surface area 250 m 2 / g, average particle diameter 30 nm) To prepare a membrane electrode assembly and a unit cell.

실시예 3Example 3

정렬된 메조다공성 카본(ordered mesoporous carbon) (비표면적 700 m2/g, 평균입경 100 nm) 및 1 중량%의 폴리비닐알코올(PVA) 바인더를 함유한 미세다공층 슬러리를 사용하여 2.6 mg/cm2의 함량 및 50 ㎛ 두께를 가진 미세기공층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 막전극 접합체 및 단위 전지를 제조하였다.Using a microporous layer slurry containing ordered mesoporous carbon (specific surface area 700 m 2 / g, average particle diameter 100 nm) and 1 wt% polyvinyl alcohol (PVA) binder, 2.6 mg / cm 2 2 , and a microporous layer having a thickness of 50 탆 was formed on the surface of the membrane electrode assembly.

실시예 4Example 4

정렬된 메조다공성 카본(ordered mesoporous carbon) (비표면적 700 m2/g, 평균입경 100 nm) 및 3 중량%의 폴리비닐알코올(PVA) 바인더를 함유한 미세다공층 슬러리를 사용하여 2.6 mg/cm2의 함량 및 50 ㎛ 두께를 가진 미세기공층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 막전극 접합체 및 단위 전지를 제조하였다.Using a microporous layer slurry containing ordered mesoporous carbon (specific surface area 700 m 2 / g, average particle diameter 100 nm) and 3 wt% polyvinyl alcohol (PVA) binder, 2.6 mg / cm 2 2 , and a microporous layer having a thickness of 50 탆 was formed on the surface of the membrane electrode assembly.

실시예 5Example 5

정렬된 메조다공성 카본(ordered mesoporous carbon) (비표면적 700 m2/g, 평균입경 100 nm) 및 5 중량%의 폴리비닐알코올(PVA) 바인더를 함유한 미세다공층 슬러리를 사용하여 2.6 mg/cm2의 함량 및 50 ㎛ 두께를 가진 미세기공층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 막전극 접합체 및 단위 전지를 제조하였다.Using a microporous layer slurry containing ordered mesoporous carbon (specific surface area 700 m 2 / g, average particle diameter 100 nm) and 5 wt% polyvinyl alcohol (PVA) binder, 2.6 mg / cm 2 2 , and a microporous layer having a thickness of 50 탆 was formed on the surface of the membrane electrode assembly.

실시예 6Example 6

정렬된 메조다공성 카본(ordered mesoporous carbon) (비표면적 700 m2/g, 평균입경 100 nm) 및 10 중량%의 폴리비닐알코올(PVA) 바인더를 함유한 미세다공층 슬러리를 사용하여 2.6 mg/cm2의 함량 및 50 ㎛ 두께를 가진 미세기공층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 막전극 접합체 및 단위 전지를 제조하였다.Using a microporous layer slurry containing ordered mesoporous carbon (specific surface area 700 m 2 / g, average particle diameter 100 nm) and 10 wt% polyvinyl alcohol (PVA) binder, 2.6 mg / cm 2 2 , and a microporous layer having a thickness of 50 탆 was formed on the surface of the membrane electrode assembly.

비교예 1Comparative Example 1

보습층을 사용하지 않은 것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 막전극 접합체 및 단위 전지를 제조하였다. A membrane electrode assembly and a unit cell were produced in the same manner as in Example 1, except that the moisturizing layer was not used.

비교예 2Comparative Example 2

아세틸렌 블랙 (acetylene black, 비표면적 70 m2/g, 평균입경 30 nm) 및 30 중량%의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 바인더를 함유한 미세다공층 슬러리를 사용 사용하여 2.0 mg/cm2의 함량 및 50 ㎛ 두께를 가진 미세기공층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 막전극 접합체 및 단위 전지를 제조하였다.Using a microporous layer slurry containing acetylene black (specific surface area 70 m 2 / g, average particle diameter 30 nm) and 30 wt% polytetrafluoroethylene (PTFE) binder, 2.0 mg / cm 2 And a microporous layer having a thickness of 50 탆 was formed on the surface of the membrane electrode assembly and the unit cell.

평가예 1: 임피던스 측정Evaluation example 1: Impedance measurement

실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 막전극접합체에 대하여 임피던스 분석기(Solartron 1260A Impedance/Gain-Phase Analyzer)를 사용하여 2-프로브(probe)법으로 상기 막전극접합체의 저항을 측정하였다. 전류밀도는 0.4A/cm2 이었고 주파수 범위는 0.1Hz 내지 10KHz 였다. 실시예 1, 5 및 비교예 2의 단위 전지의 임피던스 측정 결과에 대한 나이퀴스트 플롯(Nyguist plot)을 도 3에 나타내었다. 도 3에서 막전극접합체의 임피던스는 반원의 위치 및 크기로 결정된다. 반원의 첫 번째 x축(즉, 가로축) 절편이 전해질막의 저항(Rohm, ohmic resistance)을 나타내고, 반원의 첫번째 x축 절편과 두번째 x축 절편의 차이는 전극에서의 전하전달저항(Rct, cathode charge transport resistance)과 연료의 질량 전달(mass transfer)에 기인한 와버그 성분(W, Warburg element)가 중첩된 저항을 나타낸다.The membrane electrode assembly manufactured in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 was measured for resistance of the membrane electrode assembly by a 2-probe method using an impedance analyzer (Solartron 1260A Impedance / Gain-Phase Analyzer) Respectively. The current density was 0.4 A / cm < 2 > and the frequency range was 0.1 Hz to 10 KHz. Nyguist plots of impedance measurements of the unit cells of Examples 1 and 5 and Comparative Example 2 are shown in FIG. In Fig. 3, the impedance of the membrane electrode assembly is determined by the position and size of the semicircle. The first x-axis (ie, abscissa) section of the semicircle represents the resistance (R ohm ) of the electrolyte membrane and the difference between the first x-axis section and the second x-axis section of the semicircle represents the charge transfer resistance (R ct , (W, Warburg element) due to cathode charge transport resistance and mass transfer of fuel.

도 3의 그래프를 분석한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The results of analyzing the graph of FIG. 3 are shown in Table 1 below.

전해질막저항(Rohm)
[ohmㅇcm2]
Electrolyte membrane resistance (R ohm )
[ohm ㅇ cm 2 ]
전해질막저항(Rct)
[ohmㅇcm2]
The electrolyte membrane resistance (R ct )
[ohm ㅇ cm 2 ]
실시예 1Example 1 0.2570.257 0.5940.594 실시예 5Example 5 0.2010.201 0.5380.538 비교예 2Comparative Example 2 0.2710.271 0.6200.620

표 1에서 보여지는 바와 같이, 실시예 1 및 5의 막전극접합체는 비교예 2의 막전극접합체에 비하여 전해질막 저항 및 전극 저항이 모두 감소하였다. 이러한 저항 감소는 실시예의 막전극접합체에서 친수성 미세다공층의 도입으로 전극 내 물 함량이 증가되어 전하전달저항 및 수소 이온의 이동 저항이 감소하는 데에서 기인하는 것으로 판단된다.As shown in Table 1, the electrolyte membrane resistance and the electrode resistance of the membrane electrode assembly of Examples 1 and 5 were lower than those of the membrane electrode assembly of Comparative Example 2, respectively. This decrease in resistance is believed to be due to the increase in the water content in the electrode due to the introduction of the hydrophilic microporous layer in the membrane electrode assembly of the embodiment, resulting in a decrease in the charge transfer resistance and the migration resistance of hydrogen ions.

평가예 2: 출력 밀도 평가(탄소계 재료 종류 변화)Evaluation Example 2: Evaluation of output density (change of carbon-based material type)

상기 실시예 1, 2, 5 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 단위 전지에 대하여 애노드 전극 측에는 수소를, 캐소드 전극 측에는 공기를 각각 공급한 후 120℃의 온도, 40%의 상대 습도에서 출력 밀도(power density)를 측정하였다. 이때 상대 압력이 0 bar 이고, 수소의 유속(flow rate)은 52 sccm 이고, 공기의 유속은 200 sccm 이었다. 그 결과를 도 4 및 하기 표 2에 나타내었다.The unit cells prepared in Examples 1, 2 and 5 and Comparative Examples 1 and 2 were supplied with hydrogen at the anode electrode side and air at the cathode electrode side, respectively, and the output density at a temperature of 120 ° C. and a relative humidity of 40% power density) were measured. At this time, the relative pressure was 0 bar, the hydrogen flow rate was 52 sccm, and the air flow rate was 200 sccm. The results are shown in Fig. 4 and Table 2 below.

전류밀도 0.2A/cm2 에서의 전압 [V]Voltage at a current density of 0.2A / cm 2 [V] 전류밀도 0.4A/cm2 에서의 전압 [V]Voltage at a current density of 0.4A / cm 2 [V] 실시예 1Example 1 0.6360.636 0.5080.508 실시예 2Example 2 0.6600.660 0.5160.516 실시예 5Example 5 0.6820.682 0.5250.525 비교예 1Comparative Example 1 0.6280.628 0.4900.490 비교예 2Comparative Example 2 0.6260.626 0.4890.489

표 2에서 보여지는 바와 같이, 실시예 1, 2, 5의 단위전지는 비교예 1 내지 2의 단위전지에 비하여 출력 밀도가 향상되었다. 이러한 출력밀도의 향상은 표 1의 결과와 동일한 결과로 친수성 미세기공층의 도입으로 전극 및 멤브레인 내 물 함량이 증가되어 전하전달저항 및 수소 이온의 이동 저항이 감소하는 데에서 기인하는 것으로 판단된다.As shown in Table 2, the unit cells of Examples 1, 2, and 5 had higher output densities than the unit cells of Comparative Examples 1 and 2. The improvement of the output density is considered to be due to the increase of the water content in the electrode and the membrane due to the introduction of the hydrophilic microporous layer and the reduction of the charge transfer resistance and the hydrogen ion migration resistance.

또한, 실시예 5의 단위전지는 실시예 1 내지 2의 단위전지에 비하여 출력밀도가 향상되었다. 이러한 출력밀도의 향상은 친수성 미세기공층의 다공성 탄소계 소재의 비표면적 증가에 의한 수분 보유량을 향상시킬 수 있는 친수성 비표면적의 증가에 기인한 것으로 판단된다.In addition, the unit cell of Example 5 had an improved output density as compared with the unit cells of Examples 1 and 2. It is considered that the improvement of the output density is attributable to the increase of the hydrophilic specific surface area which can improve the moisture retention due to the increase of the specific surface area of the porous carbonaceous material of the hydrophilic microporous layer.

평가예 3: 출력 밀도 평가(친수성 고분자 함량 변화)Evaluation Example 3: Evaluation of power density (change in hydrophilic polymer content)

상기 실시예 3 내지 6 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 단위 전지에 대하여 애노드 전극 측에는 수소를, 캐소드 전극 측에는 공기를 각각 공급한 후 120℃의 온도, 40%의 상대 습도에서 출력 밀도(power density)를 측정하였다. 이때 상대 압력이 0 bar 이고, 수소의 유속(flow rate)은 52 sccm 이고, 공기의 유속은 200 sccm 이었다. 그 결과를 도 5 및 하기 표 3에 나타내었다.The unit cells prepared in Examples 3 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 were supplied with hydrogen at the anode electrode side and air at the cathode electrode side respectively and then the power density at a temperature of 120 ° C and a relative humidity of 40% ) Were measured. At this time, the relative pressure was 0 bar, the hydrogen flow rate was 52 sccm, and the air flow rate was 200 sccm. The results are shown in Fig. 5 and Table 3 below.

전류밀도 0.4A/cm2 에서의 전압 [V]Voltage at a current density of 0.4A / cm 2 [V] 실시예 3Example 3 0.4620.462 실시예 4Example 4 0.4890.489 실시예 5Example 5 0.5250.525 실시예 6Example 6 0.4730.473

표 3에서 보여지는 바와 같이, 실시예 4 내지 5의 단위전지는 실시예 3 및 6의 단위전지에 비하여 출력 밀도가 상대적으로 향상되었다.As shown in Table 3, the unit cells of Examples 4 to 5 had relatively higher output densities than the unit cells of Examples 3 and 6.

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

1: 전해질막 2: 촉매 금속
3: 담체 4: 바인더 (이오노머)
5: 촉매층 6: 다공성 소재
7: 친수성 코팅층 8: 친수성 미세다공층
9: 확산층 10: 막전극 접합체
11: 단위셀 12: 엔드 플레이트
20: 바이폴라 플레이트 100: 연료 전지
1: electrolyte membrane 2: catalyst metal
3: Carrier 4: Binder (ionomer)
5: catalyst layer 6: porous material
7: hydrophilic coating layer 8: hydrophilic microporous layer
9: diffusion layer 10: membrane electrode assembly
11: unit cell 12: end plate
20: bipolar plate 100: fuel cell

Claims (20)

캐소드; 애노드; 및 이들 사이에 개재된 전해질막을 포함하며,
상기 캐소드 및 상기 애노드가 각각
상기 전해질막과 접촉하는 촉매층;
상기 촉매층과 접촉하는 친수성 미세기공층; 및
상기 미세기공층과 접촉하는 가스 확산층을 포함하는 막전극접합체.
Cathode; Anode; And an electrolyte membrane sandwiched therebetween,
The cathode and the anode are
A catalyst layer in contact with the electrolyte membrane;
A hydrophilic microporous layer in contact with the catalyst layer; And
And a gas diffusion layer contacting the microporous layer.
제 1 항에 있어서, 상기 친수성 미세기공층의 두께가 1㎛ 이상인 막전극접합체.The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the hydrophilic microporous layer has a thickness of 1 占 퐉 or more. 제 1 항에 있어서, 상기 친수성 미세기공층이 다공성 소재 및 상기 다공성 소재 상에 도입된 친수성 코팅층을 포함하는 막전극접합체.The membrane electrode assembly of claim 1, wherein the hydrophilic microporous layer comprises a porous material and a hydrophilic coating layer introduced on the porous material. 제 3 항에 있어서, 상기 다공성 소재의 비표면적이 50 m2/g 이상인 막전극접합체.The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the porous material has a specific surface area of 50 m 2 / g or more. 제 3 항에 있어서, 상기 다공성 소재의 비표면적이 200 m2/g 이상인 막전극접합체.The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the specific surface area of the porous material is 200 m 2 / g or more. 제 3 항에 있어서, 상기 다공성 소재의 평균입경이 20nm 이상인 막전극접합체.The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the porous material has an average particle diameter of 20 nm or more. 제 3 항에 있어서, 상기 다공성 소재의 평균입경이 100nm 이상인 막전극접합체.The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the porous material has an average particle diameter of 100 nm or more. 제 3 항에 있어서, 상기 다공성 소재의 함량이 0.2 ~ 4 mg/cm2 인 막전극접합체.The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the content of the porous material is 0.2 to 4 mg / cm 2 . 제 3 항에 있어서, 상기 다공성 소재가 탄소계 소재인 막전극접합체.The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the porous material is a carbon-based material. 제 3 항에 있어서, 상기 다공성 소재가 메조다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 활성탄 탄소나노와이어, 활성탄, 카본 블랙 및 그라파이트 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 막전극접합체.The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the porous material comprises at least one selected from the group consisting of mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, activated carbon carbon nanowire, activated carbon, carbon black, and graphite. 제 3 항에 있어서, 상기 다공성 소재의 기공의 20~80% 가 20~500nm의 기공크기를 가지는 막전극접합체.The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein 20 to 80% of the pores of the porous material have a pore size of 20 to 500 nm. 제 3 항에 있어서, 상기 친수성 코팅층이 친수성 관능기를 포함하는 막전극접합체.The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the hydrophilic coating layer comprises a hydrophilic functional group. 제 12 항에 있어서, 상기 친수성 관능기가 카르복실기, 에테르기, 히드록시기, 포스포늄기, 술폰기, 아민기, 피리딘기, 아미드기 및 아크릴릭기 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 막전극접합체.The membrane electrode assembly according to claim 12, wherein the hydrophilic functional group comprises at least one selected from a carboxyl group, an ether group, a hydroxyl group, a phosphonium group, a sulfone group, an amine group, a pyridine group, an amide group and an acrylic group. 제 3 항에 있어서, 상기 다공성 코팅층이 친수성 고분자를 포함하는 막전극접합체.The membrane electrode assembly of claim 3, wherein the porous coating layer comprises a hydrophilic polymer. 제 14 항에 있어서, 상기 친수성 고분자가 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol, PVA), 폴리비닐피리딘(polyvinylpyridine, PVP), 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리알릴아민(polyallylamine), 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine), 폴리알킬옥사졸린(polyalkyloxazoline) 및 폴리알킬아민(polyalkylamine) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 막전극접합체.The method of claim 14, wherein the hydrophilic polymer is selected from the group consisting of polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylpyridine (PVP), polyacrylic acid (PAA), polyacrylamide, polyallylamine, Wherein the membrane electrode assembly comprises at least one selected from the group consisting of polyethyleneimine, polyalkyloxazoline, and polyalkylamine. 제 3 항에 있어서, 상기 친수성 코팅층의 함량이 미세기공층 총 중량의 1 내지 10중량%인 막전극접합체.The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the content of the hydrophilic coating layer is 1 to 10% by weight of the total weight of the microporous layer. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매층이 카본계 담체 위에 담지된 촉매금속을 포함하는 막전극접합체.The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the catalyst layer comprises a catalyst metal supported on a carbon-based support. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매금속이 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 티탄(Ti), 크롬(Cr) 및 이들 중 2 이상의 합금 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 막전극접합체.The method of claim 1, wherein the catalyst metal is at least one selected from the group consisting of Pt, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, A membrane electrode assembly comprising at least one selected from the group consisting of iridium (Ir), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), tin (Sn), titanium (Ti), chromium (Cr) . 제 1 항에 있어서, 상기 전해질막이 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(Poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 공중합체 중에서 선택된 하나 이상의 고분자 전해질막을 포함하는 막전극접합체.The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the electrolyte membrane is selected from the group consisting of poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid group, Ketone, aryl ketone, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole, poly (2,5-benzimidazole), and a copolymer thereof. 제 1 항 내지 제 19 항 중의 어느 한 항에 따른 막전극접합체를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising a membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 19.
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