KR20170002204A - Membrane electrode assembly, fuel cell comprising the same, battery module comprising the fuel cell and method of manufacturing the membrane electrode assembly - Google Patents

Membrane electrode assembly, fuel cell comprising the same, battery module comprising the fuel cell and method of manufacturing the membrane electrode assembly Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a membrane electrode assembly, a fuel cell comprising the same, a battery module comprising the fuel cell, and a method for manufacturing a membrane electrode assembly. The fuel cell comprises: a catalyst layer of an air electrode; a catalyst layer of a fuel electrode; and an electrolyte membrane formed between the catalyst layer of the air electrode and the catalyst layer of the fuel electrode. According to the present invention, transfer of a fuel and a reactant is easy so battery performance is improved.

Description

막전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지, 상기 연료 전지를 포함하는 전지 모듈 및 막전극 접합체의 제조방법{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY, FUEL CELL COMPRISING THE SAME, BATTERY MODULE COMPRISING THE FUEL CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a membrane electrode assembly, a fuel cell including the membrane electrode assembly, a battery module including the fuel cell, and a method of manufacturing a membrane electrode assembly. BACKGROUND ART A MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY, FUEL CELL COMPRISING THE SAME, BATTERY MODULE COMPRISING THE FUEL CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY }

본 명세서는 막전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지, 상기 연료 전지를 포함하는 전지 모듈 및 막전극 접합체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane electrode assembly, a fuel cell including the membrane electrode assembly, a battery module including the fuel cell, and a method of manufacturing the membrane electrode assembly.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목받고 있다.Recently, as the exhaustion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of such alternative energies, fuel cells have attracted particular attention due to their advantages such as high efficiency, no emission of pollutants such as NOx and SOx, and abundant fuel.

연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts the chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electric energy. Hydrogen, hydrocarbons such as methanol and butane are used as fuel, and oxygen is used as an oxidant.

연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다. 이러한 고분자 전해질형 연료전지는 전해질로서 액체가 아닌 고체 고분자 전해질막을 사용한다는 점에서 다른 연료전지와 차이가 있다.BACKGROUND ART Fuel cells include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), an alkaline fuel cell (AFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC) And a battery (SOFC). Among them, polymer electrolyte fuel cells have been actively studied because they have high energy density and high output. Such a polymer electrolyte fuel cell differs from other fuel cells in that it uses a solid polymer electrolyte membrane instead of a liquid electrolyte.

한국공개특허 제 10-2003-0076057 호Korean Patent Publication No. 10-2003-0076057

본 명세서는 막전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지, 상기 연료 전지를 포함하는 전지 모듈 및 막전극 접합체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane electrode assembly, a fuel cell including the membrane electrode assembly, a battery module including the fuel cell, and a method of manufacturing the membrane electrode assembly.

본 명세서는 공기극의 촉매층; 연료극의 촉매층; 및 상기 공기극의 촉매층과 연료극의 촉매층 사이에 구비된 전해질막을 포함하며, 상기 공기극의 촉매층 및 연료극의 촉매층 중 적어도 하나는 상기 촉매층을 관통하는 관통홀을 포함하는 것인 막전극 접합체를 제공한다.  The present disclosure relates to a catalyst layer of an air electrode; A catalyst layer of a fuel electrode; And an electrolyte membrane provided between the catalyst layer of the air electrode and the catalyst layer of the fuel electrode, wherein at least one of the catalyst layer of the air electrode and the catalyst layer of the fuel electrode includes a through hole penetrating the catalyst layer.

또한, 본 명세서는 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공한다. Further, the present specification provides a fuel cell including the membrane electrode assembly.

또한, 본 명세서는 상기 연료 전지를 단위 전지로 포함하는 전지 모듈을 제공한다. The present invention also provides a battery module including the fuel cell as a unit cell.

또한, 본 명세서는 공기극의 촉매층; 연료극의 촉매층; 및 상기 공기극의 촉매층과 연료극의 촉매층 사이에 구비된 전해질막을 포함하는 막전극 접합체의 제조방법에 있어서, 기재 상에 촉매층 조성물을 도포하여 막을 형성하는 단계; 형성된 막을 관통하는 관통홀을 형성하는 단계; 및 전해질막과 형성된 막이 접하도록 적층하고 상기 기재를 제거하여 상기 공기극의 촉매층 및 연료극의 촉매층 중 적어도 하나를 형성하는 단계를 포함하는 것인 막전극 접합체의 제조방법을 제공한다.Further, the present specification is concerned with a catalyst layer of an air electrode; A catalyst layer of a fuel electrode; And an electrolyte membrane provided between the catalyst layer of the air electrode and the catalyst layer of the fuel electrode, the method comprising the steps of: applying a catalyst layer composition on a substrate to form a membrane; Forming a through hole through the formed film; And a step of forming a catalyst layer of the air electrode and a catalyst layer of the fuel electrode by laminating the membrane and the electrolyte membrane so that the membrane is in contact with the membrane and removing the base material.

본 명세서의 연료전지는 연료와 반응물의 이동이 용이하여 전지성능이 향상되는 장점이 있다. The fuel cell of the present invention is advantageous in that fuel and reactants can be easily moved, thereby improving battery performance.

본 명세서의 연료전지는 촉매층에 사용되는 촉매량이 감소하여 비용이 줄어드는 장점이 있다. The fuel cell of the present invention is advantageous in that the amount of catalyst used in the catalyst layer is reduced and the cost is reduced.

도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 연료전지용 막 전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 전지 모듈의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 명세서의 관통홀을 포함하는 촉매층을 나타낸다.
도 5는 본 명세서의 관통홀을 포함하는 촉매층이 구비된 막 전극 접합체를 나타낸다.
도 6은 실시예 1과 2 및 비교예 1의 상대습도 100%에서의 성능비교 그래프이다.
도 7은 실시예 1과 2 및 비교예 1의 상대습도 50%에서의 성능비교 그래프이다.
도 8은 실시예 4 및 비교예 2의 상대습도 100%에서의 성능비교 그래프이다.
1 is a schematic view showing an electricity generation principle of a fuel cell.
2 is a schematic view showing the structure of a membrane electrode assembly for a fuel cell.
3 is a schematic illustration of an embodiment of a battery module.
Fig. 4 shows a catalyst layer including through holes in this specification.
5 shows a membrane electrode assembly provided with a catalyst layer including through holes in this specification.
6 is a performance comparison graph of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 at a relative humidity of 100%.
7 is a performance comparative graph of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 at a relative humidity of 50%.
8 is a performance comparative graph of Example 4 and Comparative Example 2 at a relative humidity of 100%.

이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 명세서는 공기극의 촉매층; 연료극의 촉매층; 및 상기 공기극의 촉매층과 연료극의 촉매층 사이에 구비된 전해질막을 포함하며, 상기 공기극의 촉매층 및 연료극의 촉매층 중 적어도 하나는 상기 촉매층을 관통하는 관통홀을 포함하는 것인 막전극 접합체를 제공한다. The present disclosure relates to a catalyst layer of an air electrode; A catalyst layer of a fuel electrode; And an electrolyte membrane provided between the catalyst layer of the air electrode and the catalyst layer of the fuel electrode, wherein at least one of the catalyst layer of the air electrode and the catalyst layer of the fuel electrode includes a through hole penetrating the catalyst layer.

상기 관통홀은 촉매층을 관통하는 구멍이며, 촉매층의 일면에서 타면까지 관통된 방향이 구부러지거나 끊어짐이 없고 하나의 관통홀에 연결된 곁가지가 없는 구멍이다. 이 경우 연료나 공기가 직접적으로 촉매층 안쪽까지 이동할 수 있어 매크로한 관통홀로부터 마이크로한 촉매층 기공으로 이동하기 쉬워 촉매층의 효율을 높일 수 있으며 전해질막까지 연결되어 가습조건을 좀 더 직접적으로 조절할 수 있는 장점이 있다.The through hole is a hole passing through the catalyst layer and is a side hole-free hole connected to one through hole without bending or breaking in a direction penetrating from the one surface to the other surface of the catalyst layer. In this case, since the fuel or air can directly move to the inside of the catalyst layer, it is easy to move from the macro through hole to the micro catalyst layer pores, so that the efficiency of the catalyst layer can be increased and the connection to the electrolyte membrane can be more directly controlled .

상기 관통홀 중 어느 하나의 관통홀에서, 상기 관통홀이 관통된 촉매층의 면에 평행한 방향으로 상기 어느 하나의 관통홀의 단면들의 중심을 연결한 선은 직선일 수 있다. 이때의 어느 하나의 관통홀의 단면들의 중심을 연결한 선은 어느 하나의 관통홀의 중심축일 수 있다. The line connecting the centers of the cross-sections of any one of the through-holes in a direction parallel to the plane of the catalyst layer through which the through-holes are passed may be straight in any one of the through-holes. The line connecting the centers of the cross-sections of any one of the through holes may be the center axis of any one of the through holes.

상기 관통홀이 촉매층의 일면에서 타면까지 관통될 때, 관통홀의 중심축과 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면이 이루는 각은 수직이거나, 수직이 아닌 예각 또는 둔각일 수 있다. When the through-hole penetrates from one surface to the other surface of the catalyst layer, the angle formed by the center axis of the through-hole and the surface through which the through-hole is formed in the catalyst layer may be vertical or non-perpendicular acute or obtuse angle.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 관통홀은 촉매층의 일면에서 타면까지 관통될 때, 관통홀의 중심축과 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면이 이루는 각은 수직일 수 있다. 즉, 관통홀의 중심축은 상기 촉매층의 두께방향과 평행할 수 있다. When the through hole according to one embodiment of the present invention penetrates from one surface to the other surface of the catalyst layer, the angle formed between the central axis of the through hole and the surface through which the through hole on the catalyst layer passes may be vertical. That is, the central axis of the through-hole may be parallel to the thickness direction of the catalyst layer.

본 명세서에서, 상기 관통홀의 중심축은 관통홀의 무게중심축이며, 관통홀의 회전축일 수 있다. In this specification, the central axis of the through-hole is the center-of-gravity axis of the through-hole, and may be the axis of rotation of the through-hole.

상기 관통홀의 단면은, 상기 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면에 평행한 방향으로, 원형 및 다각형 중 적어도 하나의 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 관통홀의 단면은 원형일 수 있다. The cross-section of the through-hole may have a shape of at least one of a circular shape and a polygonal shape in a direction parallel to the surface through which the through-hole on the catalyst layer penetrates. Specifically, the cross-section of the through-hole may be circular.

상기 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면에 평행한 방향으로 상기 관통홀의 단면의 형태는 촉매층의 두께방향에 따라 동일하거나, 상이할 수 있다. 구체적으로, 상기 관통홀의 단면의 형태는 촉매층의 두께방향에 따라 동일할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 관통홀의 단면의 형태는 촉매층의 두께방향에 따라 동일하나, 지름 또는 변의 길이가 상이할 수 있다. The shape of the cross-section of the through-hole in the direction parallel to the surface of the catalyst layer through which the through-hole penetrates may be the same or different depending on the thickness direction of the catalyst layer. Specifically, the shape of the cross-section of the through-hole may be the same depending on the thickness direction of the catalyst layer. More specifically, the shape of the cross-section of the through-hole is the same depending on the thickness direction of the catalyst layer, but the diameter or the length of the sides may be different.

상기 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면에 평행한 방향으로 상기 관통홀의 단면적은 촉매층의 두께방향에 따라 일정하거나, 상이할 수 있다. 구체적으로, 상기 관통홀의 단면적은 촉매층의 두께방향에 따라 상이할 수 있다.The cross-sectional area of the through-hole may be constant or different in a thickness direction of the catalyst layer in a direction parallel to a surface through which the through-hole is passed on the catalyst layer. Specifically, the cross-sectional area of the through-hole may be different depending on the thickness direction of the catalyst layer.

상기 전해질막에 가까울수록, 상기 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면에 평행한 방향으로 상기 관통홀의 단면적이 좁아지거나, 상기 전해질막에 가까울수록, 상기 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면에 평행한 방향으로 상기 관통홀의 단면적이 넓어질 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질막에 가까울수록, 상기 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면에 평행한 방향으로 상기 관통홀의 단면적이 좁아질 수 있다. The cross-sectional area of the through-hole is narrowed in a direction parallel to the surface through which the through hole on the catalyst layer passes, or the closer to the electrolyte membrane, the more the cross- The cross-sectional area of the through-hole can be increased. Specifically, the closer to the electrolyte membrane, the narrower the cross-sectional area of the through-hole in a direction parallel to the surface through which the through-hole on the catalyst layer penetrates.

상기 관통홀의 면적당 개수는 20 개/cm2 이상 200 개/cm2이하일 수 있다. 상기 관통홀의 면적당 개수가 200 개/cm2이하인 경우 물을 보존하고 반응물의 공급과 배출을 줄일 수 있으며 관통홀의 면적당 개수가 20 개/cm2 이상인 경우 물배출이 쉬워지고 반응물들의 입출입이 쉬워지는 장점이 있다. 그러나, 상기 관통홀의 면적당 개수가 200 개/cm2초과하는 경우 저가습영역에서 물배출이 많아져 연료전지 저가습 성능에 좋지 않을 수 있다.The number per unit area of the through holes may be from 20 / cm 2 to 200 / cm 2 . When the number of perforations per unit area is less than 200 / cm 2 , water can be preserved and reactant supply / discharge can be reduced. When the number of through holes per unit area is more than 20 / cm 2 , water discharge is facilitated and reactants are easily introduced . However, if the number per unit area of the through holes exceeds 200 pieces / cm 2 , the amount of water discharged in the low humidification region increases, which may result in a poor humidification performance of the fuel cell.

상기 관통홀의 크기는 50nm 이상 400㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 관통홀의 크기는 25㎛ 이상 150㎛ 이하일 수 있다. 상기 관통홀의 크기가 25㎛ 이상 150㎛ 이하인 경우 연료나 공기의 공급과 반응물인 물관리가 원활하게 되는 장점이 있다.The size of the through-hole may be 50 nm or more and 400 占 퐉 or less. Specifically, the size of the through-hole may be 25 占 퐉 or more and 150 占 퐉 or less. When the size of the through-hole is 25 μm or more and 150 μm or less, there is an advantage that supply of fuel or air and management of water as a reactant are smooth.

여기서, 상기 관통홀의 크기는 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면에 평행한 방향의 단면에서 홀의 중심을 지나는 가장 긴 선의 길이를 의미한다. 상기 관통홀의 단면이 원인 경우, 상기 관통홀의 크기는 관통홀의 직경일 수 있다. Here, the size of the through-hole means the length of the longest line passing through the center of the hole in a cross-section in a direction parallel to a plane passing through the through-hole on the catalyst layer. When the cross-section of the through-hole is caused, the size of the through-hole may be the diameter of the through-hole.

상기 관통홀의 피치는 관통홀의 면적당 개수 즉, 관통홀의 밀도에 따라 결정될 수 있으며, 상기 관통홀의 피치는 특별히 한정하지 않으나, 구체적으로, 상기 관통홀의 피치는 100㎛ 이상 5mm 이하일 수 있다. The pitch of the through holes may be determined according to the number of perforations, that is, the density of the through holes. The pitch of the through holes is not particularly limited, but may be 100 탆 or more and 5 mm or less.

여기서, 상기 관통홀의 피치는 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면에 평행한 방향의 단면에서 어느 하나의 관통홀의 중심과 가장 가깝게 이웃한 관통홀의 중심과의 거리를 의미한다. Here, the pitch of the through holes means the distance from the center of one of the through holes closest to the center of one of the through holes in the cross section in the direction parallel to the plane passing through the through holes on the catalyst layer.

상기 관통홀의 피치는 일정할 수 있다. 즉, 상기 관통홀은 같은 간격으로 형성될 수 있다. The pitch of the through holes may be constant. That is, the through holes may be formed at equal intervals.

상기 공기극의 촉매층 및 연료극의 촉매층은 모두 촉매층을 관통하는 관통홀을 포함할 수 있다. The catalyst layer of the air electrode and the catalyst layer of the fuel electrode may include through holes penetrating the catalyst layer.

상기 공기극의 촉매층 및 연료극의 촉매층 중 어느 하나에만 관통홀이 구비될 수 있다. 다시 말하면, 상기 공기극의 촉매층 또는 연료극의 촉매층에만 상기 관통홀이 구비될 수 있다. And a through hole may be formed in only one of the catalyst layer of the air electrode and the catalyst layer of the fuel electrode. In other words, the through hole may be provided only in the catalyst layer of the air electrode or the catalyst layer of the fuel electrode.

상기 연료극의 촉매층에만 관통홀이 구비될 수 있다. 다시 말하면, 상기 관통홀은 연료극의 촉매층을 관통하여 구비된 것일 수 있다.And a through hole may be formed only in the catalyst layer of the fuel electrode. In other words, the through hole may be provided through the catalyst layer of the fuel electrode.

상기 공기극의 촉매층에만 관통홀이 구비될 수 있다. 다시 말하면, 상기 관통홀은 공기극의 촉매층을 관통하여 구비된 것일 수 있다.And a through hole may be formed only in the catalyst layer of the air electrode. In other words, the through hole may be provided through the catalyst layer of the air electrode.

도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막 전극 접합체(MEA)인데, 이는 전해질막(M)과 이 전해질막(M)의 양면에 형성되는 연료극(A) 및 공기극(C)로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 연료극(A)에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료(F)의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 수소 이온은 전해질막(M)을 통해 공기극(C)으로 이동한다. 공기극(C)에서는 전해질막(M)을 통해 전달된 수소 이온과, 산소와 같은 산화제(O) 및 전자가 반응하여 물(W)이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.FIG. 1 schematically shows an electricity generating principle of a fuel cell. In a fuel cell, the most basic unit for generating electricity is a membrane electrode assembly (MEA), which includes an electrolyte membrane M and an electrolyte membrane M, (A) and an air electrode (C) formed on both sides of the anode (A). Referring to Fig. Showing the electricity generating principle of a fuel cell 1, the anode (A) in the hydrogen or methanol, up the oxidation of the fuel (F) of the hydrocarbons, such as butane hydrogen ions (H +) and electron (e -) And the hydrogen ions move to the air electrode C through the electrolyte membrane M. In the air electrode C, hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane M react with an oxidizing agent (O) such as oxygen, and water W is produced. This reaction causes electrons to migrate to the external circuit.

도 2는 연료전지용 막 전극 접합체의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지용 막 전극 접합체는 전해질막(10)과, 이 전해질막(10)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 공기극(50) 및 연료극(51)를 구비할 수 있다.2 schematically shows the structure of a membrane electrode assembly for a fuel cell. The membrane electrode assembly for a fuel cell includes an electrolyte membrane 10, an air electrode 50 positioned opposite to the electrolyte membrane 10, And a fuel electrode 51 may be provided.

공기극에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 공기극 촉매층(20)과 공기극 기체확산층(40)이 구비되고, 연료극에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 연료극 촉매층(21)과 연료극 기체확산층(41)이 구비될 수 있다. The air electrode is provided with an air electrode catalyst layer 20 and an air electrode gas diffusion layer 40 sequentially from the electrolyte membrane 10 and a fuel electrode catalyst layer 21 and a fuel electrode diffusion layer 41 are successively provided from the electrolyte membrane 10 to the fuel electrode .

고분자전해질 연료전지에서, 전해질의 역할을 하는 고분자 전해질막은 일정 수분의 존재하에서 이온이 원할히 이동하기 위해서는 일정 수분의 존재가 필수적이다. 또한, 전극의 성능은 촉매로의 효과적인 반응 물질 전달이 중요하다.In a polymer electrolyte fuel cell, it is essential that a certain amount of water is present in a polyelectrolyte membrane serving as an electrolyte in order for the ions to move smoothly in the presence of a certain amount of water. In addition, the performance of the electrode is important for efficient reaction mass transfer to the catalyst.

그러나 너무 많은 수분은 전극 내 반응 물질이 촉매에 접근하는 것을 방해하여 성능 저하를 초래하므로 일정 부분의 수분은 외부로 배출이 이루어져야 한다. However, too much moisture prevents the reactants in the electrode from approaching the catalyst, resulting in degradation of performance, so that a certain amount of moisture must be discharged to the outside.

기존의 전극 구조는 고분자 전해질막에서 가까운 촉매층과 기체확산층에서 가까운 촉매층 및 반응가스가 도입되는 영역과 배출되는 영역 등 전극 각 부분마다 국부적으로 반응하는 환경이 다르다. 특히 반응 가스가 처음 도입되는 기체확산층에 가까운 촉매층과 비교해 전해질막에 가까운 전극층의 경우 물질저항의 저항이 크며, 이는 셀의 전체적인 성능하락으로 이어진다.The conventional electrode structure is different from an environment in which the catalyst layer near the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer close to the gas diffusion layer, the region into which the reaction gas is introduced, and the discharged region are locally reacted with each other. In particular, in the case of an electrode layer closer to the electrolyte membrane as compared with the catalyst layer nearer to the gas diffusion layer in which the reactive gas is initially introduced, the resistance of the material resistance is large, leading to a deterioration in the overall performance of the cell.

한편, 본 명세서의 막 전극 접합체는 촉매층에 구비된 관통홀을 통해 물관리를 원할하게 하며, 연료가 촉매에 도달하기 용이한 장점이 있다. On the other hand, the membrane electrode assembly of the present invention has an advantage of facilitating water management through the through holes provided in the catalyst layer and facilitating the fuel to reach the catalyst.

본 명세서의 막 전극 접합체는 관통홀의 모양을 조절하여 물질전달과 배출의 효율성을 높일 수 있다. The membrane electrode assembly of the present invention can improve the efficiency of mass transfer and discharge by controlling the shape of the through hole.

본 명세서의 연료전지는 연료와 반응물의 이동이 용이하여 전지성능이 향상되는 장점이 있다. The fuel cell of the present invention is advantageous in that fuel and reactants can be easily moved, thereby improving battery performance.

본 명세서의 연료전지는 촉매층에 사용되는 촉매량이 감소하여 비용이 줄어드는 장점이 있다.The fuel cell of the present invention is advantageous in that the amount of catalyst used in the catalyst layer is reduced and the cost is reduced.

본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 전해질막은 고분자 전해질막일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane may be a polymer electrolyte membrane.

본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 전해질막은 탄화수소계 고분자 전해질막 또는 불소계 고분자 전해질막일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane may be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane or a fluorine-based polymer electrolyte membrane.

본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 고분자 전해질막을 형성하는 고분자 전해질 조성물은 용매 및 고분자를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the polymer electrolyte composition forming the polymer electrolyte membrane may include a solvent and a polymer.

상기 고분자는 이온 전도성 고분자라면 특별히 한정하지 않으며, 상기 고분자는 탄화수소계 고분자, 불소계 고분자 또는 부분불소계 고분자일 수 있고, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.The polymer is not particularly limited as long as it is an ion-conducting polymer, and the polymer may be a hydrocarbon-based polymer, a fluorine-based polymer, or a partially fluorine-based polymer, and conventional materials known in the art may be used.

상기 용매는 고분자와 반응하여 고분자를 용해시킬 수 있는 물질이면 크게 제한되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.The solvent is not particularly limited as long as it is a substance capable of reacting with the polymer to dissolve the polymer, and conventional materials known in the art can be used.

상기 고분자 전해질 조성물을 이용하여 전해질막을 형성하는 방법은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 상기 고분자 전해질 조성물을 이용하여 캐스팅법으로 전해질막을 형성될 수 있다.The electrolyte membrane may be formed using the polymer electrolyte composition by a conventional method known in the art. For example, an electrolyte membrane may be formed by casting using the polymer electrolyte composition.

본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 전해질막의 두께는 1㎛ 이상 50㎛일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thickness of the electrolyte membrane may be 1 탆 or more and 50 탆.

상기 연료극의 촉매층은 연료의 산화 반응이 일어나는 곳으로, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있다. The catalyst layer of the fuel electrode is a catalyst where oxidation of the fuel occurs and a catalyst selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum- Can be used.

상기 공기극의 촉매층은 산화제의 환원 반응이 일어나는 곳으로, 백금 또는 백금-전이금속 합금이 촉매로 바람직하게 사용될 수 있다. The catalyst layer of the air electrode is where the reduction reaction of the oxidizing agent occurs, and platinum or a platinum-transition metal alloy can be preferably used as a catalyst.

본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 촉매층의 두께는 1㎛ 이상 30㎛이하 일 수 있다. 이때, 상기 연료극의 촉매층과 공기극의 촉매층의 두께는 서로 동일하거나, 각각 상이할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the thickness of the catalyst layer may be 1 탆 or more and 30 탆 or less. At this time, the thickness of the catalyst layer of the fuel electrode and the thickness of the catalyst layer of the air electrode may be the same or different from each other.

상기 촉매들은 그 자체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.The catalysts can be used not only by themselves but also by being supported on a carbon-based carrier.

상기 탄소계 담체로는 탄소계 물질로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P블랙(Super P black)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직한 예가 될 수 있다.Examples of the carbon-based material include graphite, carbon black, acetylene black, denka black, cacao black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, , Carbon nanowire, fullerene (C60), and super P black (a mixture of two or more) may be preferable examples.

촉매층을 도입하는 과정은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행할 수 있는데, 예를 들면 촉매 조성물을 전해질막에 직접적으로 코팅하거나 기체확산층에 코팅하여 촉매층을 형성할 수 있다. 이때 촉매 조성물의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다. 촉매 조성물은 대표적으로 촉매, 이오노머(ionomer) 및 용매로 이루어질 수 있다.The process of introducing the catalyst layer may be performed by a conventional method known in the art. For example, the catalyst composition may be coated directly on the electrolyte membrane or coated on the gas diffusion layer to form the catalyst layer. Here, the method of coating the catalyst composition is not particularly limited, but spray coating, tape casting, screen printing, blade coating, die coating or spin coating may be used. The catalyst composition typically comprises a catalyst, an ionomer and a solvent.

상기 이오노머(ionomer)는 이온을 가지는 고분자이며, 상기 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 고분자 전해질막으로 이동하기 위한 통로를 제공하여 주는 역할을 한다.The ionomer is a polymer having an ion, and the ionomer provides a path for transferring ions generated by the reaction between the fuel such as hydrogen or methanol and the catalyst to the polymer electrolyte membrane.

상기 이오노머로는 나피온 이오노머 등과 같은 불소계 폴리머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. The ionomer may be a fluoropolymer such as a Nafion ionomer or a sulfonated polymer such as sulfonated polytrifluorostyrene. However, the ionomer is not limited thereto.

상기 이오노머는 고분자 전해질막에 포함된 이온 전도성 고분자와 동일 또는 상이할 수 있다. The ionomer may be the same as or different from the ion conductive polymer contained in the polymer electrolyte membrane.

상기 촉매 조성물에 포함되는 용매로는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트 및 에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다.Examples of the solvent included in the catalyst composition include water, butanol, isopropanol, methanol, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate and ethylene glycol, Can be used.

상기 기체확산층은 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층은 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. The gas diffusion layer serves as a current conductor and serves as a passage for reacting gas and water, and has a porous structure. Therefore, the gas diffusion layer may include a conductive base material.

상기 도전성 기재로는 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있으나, 예를 들면 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있으며 이에 한정되지 않는다.As the conductive base material, any conventional materials known in the art can be used. For example, carbon paper, carbon cloth or carbon felt can be preferably used. It does not.

본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 기체확산층의 두께는 50㎛ 이상 500㎛ 이하일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thickness of the gas diffusion layer may be 50 탆 or more and 500 탆 or less.

막 전극 접합체는 연료극의 촉매층과 공기극의 촉매층이 전해질막에 접촉된 형태로서, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. The membrane electrode assembly can be produced by a conventional method known in the art in the form of a catalyst layer of a fuel electrode and a catalyst layer of an air electrode in contact with an electrolyte membrane.

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

본 명세서의 또 하나의 실시상태는 본 명세서에 따른 막 전극 접합체; 연료를 막 전극 접합체로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 막 전극 접합체로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료전지를 제공한다.Another embodiment of the present disclosure is a membrane electrode assembly according to the present disclosure; A fuel supply unit for supplying fuel to the membrane electrode assembly; And an oxidant supplier for supplying the oxidant to the membrane electrode assembly.

본 명세서는 상기 연료 전지를 단위 전지로 포함하는 전지 모듈을 제공한다.The present specification provides a battery module including the fuel cell as a unit cell.

본 명세서의 또 하나의 실시상태는 본 명세서에 따른 2 이상의 연료전지와 연료전지 사이에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 스택으로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료전지를 제공한다. Another embodiment of the present disclosure relates to a stack comprising a separator provided between two or more fuel cells and a fuel cell according to the present specification; A fuel supply unit for supplying fuel to the stack; And an oxidant supply part for supplying the oxidant to the stack.

도 3은 전지 모듈의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 전지 모듈은 스택(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.3 schematically shows a structure of a battery module, which includes a stack 60, an oxidizer supply part 70, and a fuel supply part 80. [

스택(60)은 상술한 막 전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막 전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 막 전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.The stack 60 includes one or more of the membrane electrode assemblies described above and includes a separator interposed therebetween when two or more membrane electrode assemblies are included. The separator serves to prevent the membrane electrode assemblies from being electrically connected and to transfer the fuel and oxidant supplied from the outside to the membrane electrode assembly.

산화제 공급부(70)는 산화제를 스택(60)으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(70)로 주입하여 사용할 수 있다.The oxidant supply part 70 serves to supply the oxidant to the stack 60. As the oxidizing agent, oxygen is typically used, and oxygen or air can be injected into the pump 70 and used.

연료 공급부(80)는 연료를 스택(60)으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료 탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.The fuel supply unit 80 serves to supply the fuel to the stack 60 and includes a fuel tank 81 for storing the fuel and a pump 82 for supplying the fuel stored in the fuel tank 81 to the stack 60 Lt; / RTI > As the fuel, gas or liquid hydrogen or hydrocarbon fuel may be used. Examples of hydrocarbon fuels include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 명세서는 공기극의 촉매층; 연료극의 촉매층; 및 상기 공기극의 촉매층과 연료극의 촉매층 사이에 구비된 전해질막을 포함하는 막전극 접합체의 제조방법에 있어서, 기재 상에 촉매층 조성물을 도포하여 막을 형성하는 단계; 형성된 막을 관통하는 관통홀을 형성하는 단계; 및 전해질막과 형성된 막이 접하도록 적층하고 상기 기재를 제거하여 상기 공기극의 촉매층 및 연료극의 촉매층 중 적어도 하나를 형성하는 단계를 포함하는 것인 막전극 접합체의 제조방법을 제공한다.The present disclosure relates to a catalyst layer of an air electrode; A catalyst layer of a fuel electrode; And an electrolyte membrane provided between the catalyst layer of the air electrode and the catalyst layer of the fuel electrode, the method comprising the steps of: applying a catalyst layer composition on a substrate to form a membrane; Forming a through hole through the formed film; And a step of forming a catalyst layer of the air electrode and a catalyst layer of the fuel electrode by laminating the membrane and the electrolyte membrane so that the membrane is in contact with the membrane and removing the base material.

상기 막전극 접합체의 제조방법은 공기극의 촉매층 및 연료극의 촉매층 중 어느 하나로 관통홀이 형성된 촉매층으로 형성하는 경우, 관통홀이 형성되지 않은 촉매측으로 공기극의 촉매층 및 연료극의 촉매층 중 나머지를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method of manufacturing the membrane electrode assembly may include forming a catalyst layer of an air electrode and a remainder of a catalyst layer of a fuel electrode on a catalyst side where no through holes are formed when the catalyst layer is formed of a catalyst layer of an air electrode or a catalyst layer of a fuel electrode .

상기 막전극 접합체의 제조방법은 상기 전해질막 상에 촉매층을 형성하는 단계는 전해질막과 형성된 막이 접하도록 적층하고 상기 기재를 제거하여 공기극의 촉매층 및 연료극의 촉매층 모두를 형성하는 단계일 수 있다. In the method of manufacturing the membrane electrode assembly, the step of forming the catalyst layer on the electrolyte membrane may be a step of laminating the membrane formed with the electrolyte membrane so as to be in contact with each other, and removing the base material to form both the catalyst layer of the cathode and the catalyst layer of the anode.

도 4 및 5에 따르면, 본 명세서의 일 실시상태의 막전극 접합체의 제조방법은 기재(200) 상에 촉매층 조성물을 도포하여 촉매층(100)을 형성하는 단계; 형성된 촉매층의 두께 방향으로 평행하도록 관통홀(110)을 형성하는 단계; 및 전해질막(400)과 형성된 촉매층(100)이 접하도록 적층하고 상기 기재(200)를 제거하여 상기 공기극의 촉매층(310) 및 연료극의 촉매층(320)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 4 and 5, a method of manufacturing a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention includes: forming a catalyst layer 100 by applying a catalyst layer composition on a substrate 200; Forming a through hole (110) parallel to the thickness direction of the formed catalyst layer; And forming the catalyst layer 310 of the air electrode and the catalyst layer 320 of the fuel electrode by stacking the electrolyte membrane 400 and the formed catalyst layer 100 so that they are in contact with each other.

상술한 막전극 접합체의 설명을 막전극 접합체의 제조방법에서 인용할 수 있다. The description of the membrane electrode assembly described above can be referred to in the production method of the membrane electrode assembly.

상기 막을 형성하는 단계 이전에, 상기 촉매층 조성물을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. Before the step of forming the film, the step of preparing the catalyst layer composition may be further included.

상기 촉매층 조성물은 이오노머, 촉매 및 용매를 포함할 수 있다. The catalyst layer composition may include an ionomer, a catalyst, and a solvent.

이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following embodiments are for illustrative purposes only and are not intended to limit the specification.

[실시예][Example]

[실시예 1][Example 1]

이오노머 (Nafion D2021), 1가 알코올(mono alcohol) 및 백금/탄소(Pt/C-Tanaka 10V50E) 촉매를 혼합 분산하여 촉매층을 기재 위에 코팅 및 건조하고, 기재와 전극에 일정한 간격으로 관통홀을 형성했다. 이때 관통홀의 밀도는 약 20개/cm2이었다.A catalyst layer is coated and dried on a substrate by mixing and dispersing an ionomer (Nafion D2021), a monoalcohol and a Pt / C-Tanaka 10V50E catalyst, and a through hole is formed did. At this time, the density of the through holes was about 20 pieces / cm 2 .

상기 2개의 촉매층이 각각 탄화수소계 전해질막의 양면에 접하도록 적층하고 핫-프레스를 이용하여 접합했다. 이 후 촉매층 상의 기재를 제거하고, 기재가 제거된 면에 각각 가스확산층을 적층하여 막전극 접합체를 제조했다. The two catalyst layers were laminated so as to be in contact with both surfaces of the hydrocarbon-based electrolyte membrane, and they were bonded by hot-pressing. Thereafter, the base material on the catalyst layer was removed, and a gas diffusion layer was laminated on the surface from which the base material was removed, thereby producing a membrane electrode assembly.

[실시예 2][Example 2]

관통홀의 밀도를 약 80개/cm2로 증가시킨 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 촉매층을 제조하고, 제조된 2개의 촉매층이 탄화수소계 전해질막의 양면에 각각 접하도록 적층하고 핫-프레스를 이용하여 접합했다. 이 후 촉매층 상의 기재를 제거하고, 기재가 제거된 면에 각각 가스확산층을 적층하여 막전극 접합체를 제조했다.The catalyst layer was prepared in the same manner as in Example 1 except that the density of the through holes was increased to about 80 pieces / cm 2 , and the two catalyst layers thus prepared were laminated so as to be in contact with both surfaces of the hydrocarbon-based electrolyte membrane, Junction. Thereafter, the base material on the catalyst layer was removed, and a gas diffusion layer was laminated on the surface from which the base material was removed, thereby producing a membrane electrode assembly.

[실시예 3] [Example 3]

관통홀의 밀도를 약 120개/cm2로 증가시킨 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 촉매층을 제조하고, 제조된 2개의 촉매층이 탄화수소계 전해질막의 양면에 각각 접하도록 적층하고 핫-프레스를 이용하여 접합했다. 이 후 촉매층 상의 기재를 제거하고, 기재가 제거된 면에 각각 가스확산층을 적층하여 막전극 접합체를 제조했다.The catalyst layer was prepared in the same manner as in Example 1 except that the density of the through holes was increased to about 120 pieces / cm 2 , laminated so that the two prepared catalyst layers were in contact with both surfaces of the hydrocarbon-based electrolyte membrane, and hot- Junction. Thereafter, the base material on the catalyst layer was removed, and a gas diffusion layer was laminated on the surface from which the base material was removed, thereby producing a membrane electrode assembly.

[실시예 4][Example 4]

관통홀의 밀도를 약 60개/cm2로 증가시킨 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 연료극측 촉매층을 제조했다.The anode side catalyst layer was prepared in the same manner as in Example 1, except that the density of the through holes was increased to about 60 / cm 2 .

관통홀을 형성하지 않은 점을 제외하고 실시예 1과 동일하게 공기극측 촉매층을 제조했다.Except that no through holes were formed in the catalyst layer.

nafion 전해질막의 일측에는 밀도가 약 60개/cm2인 관통홀을 갖는 연료극측 촉매층을 적층하고, nafion 전해질막의 타측에는 관통홀이 없는 공기극측 촉매층을 적층하고, 핫-프레스를 이용하여 접합했다. 이 후 촉매층 상의 기재를 제거하고, 기재가 제거된 면에 각각 가스확산층을 적층하여 막전극 접합체를 제조했다.An anode side catalyst layer having a through hole having a density of about 60 / cm 2 was laminated on one side of the nafion electrolyte membrane, and an air electrode side catalyst layer having no through hole on the other side of the nafion electrolyte membrane was laminated and bonded using a hot-press. Thereafter, the base material on the catalyst layer was removed, and a gas diffusion layer was laminated on the surface from which the base material was removed, thereby producing a membrane electrode assembly.

[비교예 1] [Comparative Example 1]

관통홀을 형성하지 않은 점을 제외하고 실시예 1과 동일하게 촉매층을 제조했다. 관통홀이 없는 2개의 촉매층을 탄화수소계 전해질막의 양면에 각각 접하도록 적층하고 핫-프레스를 이용하여 접합했다. 이 후 촉매층 상의 기재를 제거하고, 기재가 제거된 면에 각각 가스확산층을 적층하여 막전극 접합체를 제조했다.A catalyst layer was prepared in the same manner as in Example 1 except that no through holes were formed. Two catalyst layers without through holes were laminated so as to be in contact with both surfaces of the hydrocarbon-based electrolyte membrane, and they were bonded by hot-pressing. Thereafter, the base material on the catalyst layer was removed, and a gas diffusion layer was laminated on the surface from which the base material was removed, thereby producing a membrane electrode assembly.

[비교예 2] [Comparative Example 2]

이오노머 (Nafion D2021), 1가 알코올(mono alcohol) 및 백금/탄소(Pt/CTanaka 10V50E) 촉매를 혼합 분산하여 슬러리를 제조한 후, 두께 10㎛의 비전도성 다공성 지지체(Polyester 기공율 85%, 평균 기공 크기 4 ㎛)의 양면에 상기 슬러리를 코팅하여 촉매층을 제조하였다. 2개의 촉매층이 nafion 전해질막의 양면에 각각 접하도록 적층하고 핫-프레스를 이용하여 접합했다. 이 후 상기 촉매층 상에 각각 가스확산층을 적층하여 막전극 접합체를 제조했다.A slurry was prepared by mixing and dispersing an ionomer (Nafion D2021), a mono alcohol and a platinum / carbon catalyst (Pt / CTanaka 10V50E), and then a 10 μm thick nonconductive porous support (having a polyester porosity of 85% Size 4 占 퐉) was coated on both surfaces of the slurry to prepare a catalyst layer. The two catalyst layers were laminated so as to be in contact with both surfaces of the nafion electrolyte membrane, and they were bonded by hot-pressing. Thereafter, a gas diffusion layer was laminated on each of the catalyst layers to produce a membrane electrode assembly.

[실험예 1][Experimental Example 1]

실시예 1과 2 및 비교예 1의 상대습도(RH)에 따른 성능을 비교한 결과를 도 6(RH 100%) 및 도 7(RH 50%)에 각각 나타냈으며, 실시예 4와 비교예 2의 상대습도(RH) 100%에서 성능을 비교한 결과를 도 8에 나타냈다. 6 (RH 100%) and FIG. 7 (RH 50%) show the results of comparing the performances according to the relative humidity (RH) of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, The results are shown in Fig. 8. The results are shown in Fig.

특히, 0.6V 에서 측정된 전류밀도를 비교예 1을 기준으로 상대적으로 비교한 결과, 하기 표 1과 같이 나타났다.In particular, the current density measured at 0.6 V was relatively compared based on Comparative Example 1, as shown in Table 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

[실험예 2][Experimental Example 2]

관통홀의 밀도에 따른 촉매의 저감량을 하기 표 2에 나타냈다.The reduction amount of the catalyst according to the density of the through holes is shown in Table 2 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

10: 전해질막
20, 21: 촉매층
40, 41: 기체확산층
50: 공기극
51: 연료극
60: 스택
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료 탱크
82: 펌프
100: 촉매층
110: 관통홀
200: 기재
310: 공기극의 촉매층
320: 연료극의 촉매층
400: 전해질막
10: electrolyte membrane
20, 21: catalyst layer
40, 41: gas diffusion layer
50: air electrode
51: anode
60: Stack
70: oxidant supplier
80: fuel supply unit
81: Fuel tank
82: Pump
100: catalyst layer
110: Through hole
200: substrate
310: catalyst layer of the cathode
320: catalyst layer of the anode
400: electrolyte membrane

Claims (20)

공기극의 촉매층; 연료극의 촉매층; 및 상기 공기극의 촉매층과 연료극의 촉매층 사이에 구비된 전해질막을 포함하며,
상기 공기극의 촉매층 및 연료극의 촉매층 중 적어도 하나는 상기 촉매층을 관통하는 관통홀을 포함하는 것인 막전극 접합체.
A catalyst layer of an air electrode; A catalyst layer of a fuel electrode; And an electrolyte membrane disposed between the catalyst layer of the air electrode and the catalyst layer of the fuel electrode,
Wherein at least one of the catalyst layer of the air electrode and the catalyst layer of the fuel electrode includes a through hole penetrating the catalyst layer.
청구항 1에 있어서, 상기 관통홀 중 어느 하나의 관통홀에서, 상기 관통홀이 관통된 촉매층의 면에 평행한 방향으로 상기 어느 하나의 관통홀의 단면들의 중심을 연결한 선은 직선인 것인 막전극 접합체.The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein a line connecting the centers of the cross-sections of any one of the through-holes in a direction parallel to the plane of the catalyst layer through which the through-holes are passed is straight in any one of the through- Junction. 청구항 1에 있어서, 상기 관통홀의 촉매층의 일면에서 타면까지 관통된 방향이 구부러지거나 끊어짐이 없고 하나의 관통홀에 연결된 곁가지가 없는 것인 막전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the through-hole has no side branch connected to one through-hole without bending or breaking in a direction penetrating from one side to the other side of the catalyst layer of the through-hole. 청구항 1에 있어서, 상기 관통홀의 중심축과 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면이 이루는 각은 수직이거나, 예각 또는 둔각인 것인 막전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein an angle formed by a central axis of the through-hole and a plane passing through the through-hole on the catalyst layer is perpendicular, acute, or obtuse. 청구항 1에 있어서, 상기 관통홀의 단면은, 상기 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면에 평행한 방향으로, 원형 및 다각형 중 적어도 하나의 형태를 갖는 것인 막전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the cross-section of the through-hole has at least one of a circular shape and a polygonal shape in a direction parallel to a plane through which the through-hole on the catalyst layer penetrates. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면에 평행한 방향으로 상기 관통홀의 단면적은 촉매층의 두께방향에 따라 상이한 것인 막전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein a cross-sectional area of the through-hole in a direction parallel to a plane passing through the through-hole on the catalyst layer is different depending on a thickness direction of the catalyst layer. 청구항 1에 있어서, 상기 전해질막에 가까울수록, 상기 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면에 평행한 방향으로 상기 관통홀의 단면적이 좁아지는 것인 막전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the closer the membrane is to the electrolyte membrane, the smaller the cross-sectional area of the through-hole is in a direction parallel to the surface through which the through-hole penetrates the catalyst layer. 청구항 1에 있어서, 상기 전해질막에 가까울수록, 상기 촉매층 상의 관통홀이 관통된 면에 평행한 방향으로 상기 관통홀의 단면적이 넓어지는 것인 막전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the closer the membrane is to the electrolyte membrane, the larger the cross-sectional area of the through-hole is in a direction parallel to the surface through which the through-hole is passed. 청구항 1에 있어서, 상기 공기극의 촉매층 또는 연료극의 촉매층은 상기 관통홀이 구비되는 것인 막전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the catalyst layer of the air electrode or the catalyst layer of the fuel electrode comprises the through-hole. 청구항 1에 있어서, 상기 관통홀은 연료극의 촉매층을 관통하여 구비되는 것인 막전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the through-hole is provided through the catalyst layer of the fuel electrode. 청구항 1에 있어서, 상기 관통홀은 공기극의 촉매층을 관통하여 구비되는 것인 막전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the through-hole is provided through the catalyst layer of the air electrode. 청구항 1에 있어서, 상기 관통홀의 면적당 개수는 20 개/cm2 이상 200 개/cm2이하인 것인 막전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the number of through-holes per unit area is 20 / cm 2 to 200 / cm 2 . 청구항 1에 있어서, 상기 관통홀의 크기는 50nm 이상 400㎛ 이하인 것인 막전극 접합체.The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the through hole has a size of 50 nm or more and 400 m or less. 청구항 1에 있어서, 상기 관통홀의 피치는 100㎛ 이상 5mm 이하인 것인 막전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein a pitch of the through-holes is 100 m or more and 5 mm or less. 청구항 1에 있어서, 상기 공기극의 촉매층과 연료극의 촉매층은 각각 이오노머 및 촉매를 포함하는 것인 막전극 접합체.The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the catalyst layer of the air electrode and the catalyst layer of the fuel electrode each comprise an ionomer and a catalyst. 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 따른 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지.A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 15. 청구항 16의 연료 전지를 단위 전지로 포함하는 전지 모듈.A battery module comprising the fuel cell of claim 16 as a unit cell. 공기극의 촉매층; 연료극의 촉매층; 및 상기 공기극의 촉매층과 연료극의 촉매층 사이에 구비된 전해질막을 포함하는 막전극 접합체의 제조방법에 있어서,
기재 상에 촉매층 조성물을 도포하여 막을 형성하는 단계;
형성된 막을 관통하는 관통홀을 형성하는 단계; 및
전해질막과 형성된 막이 접하도록 적층하고 상기 기재를 제거하여 상기 공기극의 촉매층 및 연료극의 촉매층 중 적어도 하나를 형성하는 단계를 포함하는 것인 막전극 접합체의 제조방법.
A catalyst layer of an air electrode; A catalyst layer of a fuel electrode; And an electrolyte membrane disposed between the catalyst layer of the cathode and the catalyst layer of the anode, the method comprising:
Applying a catalyst layer composition on a substrate to form a film;
Forming a through hole through the formed film; And
And forming a catalyst layer of the air electrode and a catalyst layer of the fuel electrode by laminating the electrolyte membrane and the formed membrane so that they are in contact with each other and removing the substrate.
청구항 18에 있어서, 상기 막을 형성하는 단계 이전에, 상기 촉매층 조성물을 제조하는 단계를 더 포함하는 것인 막전극 접합체의 제조방법.19. The method of claim 18, further comprising the step of fabricating the catalyst layer composition prior to the step of forming the membrane. 청구항 18에 있어서, 상기 촉매층 조성물은 이오노머, 촉매 및 용매를 포함하는 것인 막전극 접합체의 제조방법.19. The method of claim 18, wherein the catalyst layer composition comprises an ionomer, a catalyst, and a solvent.
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