KR20170037430A - Membrane electrode assembly, fuel cell comprising the membrane electrode assembly and method for manufacturing the membrane electrode assembly - Google Patents

Membrane electrode assembly, fuel cell comprising the membrane electrode assembly and method for manufacturing the membrane electrode assembly Download PDF

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KR20170037430A
KR20170037430A KR1020150137045A KR20150137045A KR20170037430A KR 20170037430 A KR20170037430 A KR 20170037430A KR 1020150137045 A KR1020150137045 A KR 1020150137045A KR 20150137045 A KR20150137045 A KR 20150137045A KR 20170037430 A KR20170037430 A KR 20170037430A
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오근환
배인성
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Abstract

The present invention relates to a membrane electrode assembly, a fuel cell comprising the same, and a method for manufacturing the membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly comprises: a polymer electrolyte membrane having a plurality of protrusions on the surface thereof; an anode catalyst layer formed on one surface of the polymer electrolyte membrane; and a cathode catalyst layer formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane. According to the present invention, an interfacial adhesive force between a catalyst layer and a polymer electrolyte membrane of an electrode can be improved.

Description

막 전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지 및 막 전극 접합체의 제조방법{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY, FUEL CELL COMPRISING THE MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND METHOD FOR 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, and a method for manufacturing the membrane electrode assembly. [0002]

본 명세서는 막 전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지 및 막 전극 접합체의 제조방법에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a membrane electrode assembly, a fuel cell including the membrane electrode assembly, 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 연료 전지는 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.

연료 전지는 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.

연료 전지에는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료 전지(DMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 알칼리형 연료 전지(AFC), 용융탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체산화물형 연료 전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다. 이러한 고분자 전해질형 연료 전지는 전해질로서 액체가 아닌 고체 고분자 전해질막을 사용한다는 점에서 다른 연료 전지와 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 2003-0076057 호Korean Patent Publication No. 2003-0076057

본 명세서는 막 전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지 및 막 전극 접합체의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a membrane electrode assembly, a fuel cell including the membrane electrode assembly, and a method of manufacturing the membrane electrode assembly.

본 명세서는 복수의 돌기가 표면에 구비된 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질막의 일면에 구비된 애노드 촉매층; 및 상기 고분자 전해질막의 타면에 구비된 캐소드 촉매층을 포함하며, 상기 돌기는, 상기 돌기가 상기 고분자 전해질막과 접촉된 내측으로부터 상기 돌기가 돌출된 외측방향으로, 폭이 증가하는 폭증가부가 구비된 것인 막 전극 접합체를 제공한다. The present invention relates to a polymer electrolyte membrane having a plurality of protrusions on its surface; An anode catalyst layer provided on one surface of the polymer electrolyte membrane; And a cathode catalyst layer provided on the other surface of the polymer electrolyte membrane, wherein the protrusions are provided with an enlarged portion in which the protrusions are increased in width from the inner side where the protrusions are in contact with the polymer electrolyte membrane to the outward direction in which the protrusions protrude Thereby providing a membrane electrode assembly.

또한, 본 명세서는 상기 막 전극 접합체 포함하는 연료 전지를 제공한다. The present invention also provides a fuel cell including the membrane electrode assembly.

또한, 본 명세서는 복수의 돌기가 표면에 구비된 고분자 전해질막을 준비하는 단계; 상기 고분자 전해질막의 일면에 애노드 촉매층을 형성하는 단계; 및 상기 고분자 전해질막의 타면에 캐소드 촉매층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 돌기는, 상기 돌기가 상기 고분자 전해질막과 접촉된 내측으로부터 상기 돌기가 돌출된 외측방향으로, 폭이 증가하는 폭증가부가 구비된 것인 막 전극 접합체의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing a polymer electrolyte membrane, comprising: preparing a polyelectrolyte membrane having a plurality of projections on a surface thereof; Forming an anode catalyst layer on one side of the polymer electrolyte membrane; And forming a cathode catalyst layer on the other surface of the polymer electrolyte membrane, wherein the protrusion is provided with a protuberance portion in which a width of the protuberance increases from an inner side where the protrusion is in contact with the polyelectrolyte membrane to an outward direction in which the protrusion protrudes Wherein the membrane electrode assembly is a membrane electrode assembly.

본 명세서의 막 전극 접합체는 전극의 촉매층과 고분자 전해질 막간의 계면 접착력이 향상될 수 있다. The membrane electrode assembly of the present invention can improve the interfacial adhesion between the catalyst layer of the electrode and the polymer electrolyte membrane.

본 명세서의 막 전극 접합체는 전극의 촉매층과 고분자 전해질 막간의 계면탈리로 인한 전지의 성능저하를 방지할 수 있다. The membrane electrode assembly of the present invention can prevent deterioration of the performance of the battery due to interfacial separation between the catalyst layer of the electrode and the polymer electrolyte membrane.

본 명세서의 막 전극 접합체는 전극과 고분자 전해질 막 사이에 접촉 면적이 증가되어 물질을 전달하는 특성이 향상될 수 있다. The membrane electrode assembly of the present invention may have an increased contact area between the electrode and the polymer electrolyte membrane to improve the property of transferring the substance.

본 명세서의 막 전극 접합체는 연료전지의 초기 및 장기성능을 향상시킬 수 있다.The membrane electrode assembly of the present invention can improve the initial and long-term performance of a fuel cell.

도 1은 연료 전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태의 막 전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 연료 전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시상태에 따른 고분자 전해질막의 제조방법의 순서도와 이로 제조된 고분자 전해질막의 주사전자현미경(SEM)이미지이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시상태에 따른 고분자 전해질막의 제조방법의 순서도와 이로 제조된 고분자 전해질막의 주사전자현미경(SEM)이미지이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시상태에 따른 고분자 전해질막의 제조방법의 순서도이다.
도 7은 비교예 2에서 제조된 고분자 전해질막의 주사전자현미경(SEM)이미지이다.
1 is a schematic view showing an electricity generation principle of a fuel cell.
2 is a schematic view showing a structure of a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic view showing one embodiment of a fuel cell.
4 is a flow chart of a method for producing a polymer electrolyte membrane according to the first embodiment of the present invention and a scanning electron microscope (SEM) image of the polymer electrolyte membrane thus produced.
5 is a flow chart of a method for producing a polymer electrolyte membrane according to a second embodiment of the present invention and a scanning electron microscope (SEM) image of the polymer electrolyte membrane thus produced.
6 is a flowchart of a method for producing a polymer electrolyte membrane according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a scanning electron microscope (SEM) image of the polymer electrolyte membrane prepared in Comparative Example 2. FIG.

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

도 1은 연료 전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 연료 전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막 전극 접합체(MEA)인데, 이는 전해질막(M)과 이 전해질막(M)의 양면에 형성되는 애노드(A) 및 캐소드(C)로 구성된다. 연료 전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 애노드(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 캐소드(C)으로 이동한다. 캐소드(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, And an anode (A) and a cathode (C) formed on both sides of the cathode (C). Referring to Fig. Showing the electricity generating principle of a fuel cell 1, an anode (A) in the hydrogen or methanol, butane and the oxidation of the fuel (F) of the hydrocarbon and so on up the hydrogen ions (H +) and electron (e -), such as And the hydrogen ions move to the cathode C through the electrolyte membrane M. In the cathode (C), the hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane (M) react with the oxidizing agent (O) such as oxygen, and water (W) is produced. This reaction causes electrons to migrate to the external circuit.

본 명세서는 복수의 돌기가 표면에 구비된 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질막의 일면에 구비된 애노드 촉매층; 및 상기 고분자 전해질막의 타면에 구비된 캐소드 촉매층을 포함하며, 상기 돌기는, 상기 돌기가 상기 고분자 전해질막과 접촉된 내측으로부터 상기 돌기가 돌출된 외측방향으로, 폭이 증가하는 폭증가부가 구비된 것인 막 전극 접합체를 제공한다. The present invention relates to a polymer electrolyte membrane having a plurality of protrusions on its surface; An anode catalyst layer provided on one surface of the polymer electrolyte membrane; And a cathode catalyst layer provided on the other surface of the polymer electrolyte membrane, wherein the protrusions are provided with an enlarged portion in which the protrusions are increased in width from the inner side where the protrusions are in contact with the polymer electrolyte membrane to the outward direction in which the protrusions protrude Thereby providing a membrane electrode assembly.

도 2에 도시된 바와 같이, 막 전극 접합체는 전해질막(10)과, 이 전해질막(10)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 캐소드(50) 및 애노드(51)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 캐소드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 구비된 캐소드 촉매층(20)과 캐소드 기체확산층(30)을 포함하고, 애노드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 구비된 애노드 촉매층(21)과 애노드 기체확산층 (31)을 포함할 수 있다.2, the membrane electrode assembly may include an electrolyte membrane 10 and a cathode 50 and an anode 51 positioned opposite to each other with the electrolyte membrane 10 interposed therebetween. Specifically, the cathode includes a cathode catalyst layer 20 and a cathode gas diffusion layer 30 sequentially provided from the electrolyte membrane 10, and the anode includes an anode catalyst layer 21 and an anode catalyst layer 21 sequentially provided from the electrolyte membrane 10, And a gas diffusion layer 31.

상기 고분자 전해질막은 복수의 돌기가 표면에 구비될 수 있다. The polymer electrolyte membrane may have a plurality of projections on its surface.

상기 돌기는, 상기 돌기가 상기 고분자 전해질막과 접촉된 내측으로부터 상기 돌기가 돌출된 외측방향으로, 폭이 증가하는 폭증가부가 구비될 수 있다. The protrusion may be provided with a protrusion which increases in width from the inner side where the protrusion is in contact with the polyelectrolyte membrane to the outward direction in which the protrusion protrudes.

상기 돌기는, 상기 돌기가 상기 고분자 전해질막과 접촉된 내측으로부터 상기 돌기가 돌출된 외측방향으로, 폭이 감소하는 폭감소부가 더 구비될 수 있다. 상기 돌기의 폭증가부와 폭감소부는, 상기 돌기가 상기 고분자 전해질막과 접촉된 내측으로부터 상기 돌기가 돌출된 외측방향으로, 연속적으로 구비될 수 있다. 이 경우, 돌기는 몸체 및 상기 몸체의 단부에 구비된 버섯 모양의 헤드를 갖는 형태일 수 있다. The protrusion may be further provided with a width decreasing portion in which the width of the protrusion decreases from the inner side where the protrusion is in contact with the polyelectrolyte membrane to the outward direction in which the protrusion protrudes. The enlarged portion and the reduced width portion of the projection may be provided continuously from the inside in which the projection is in contact with the polymer electrolyte membrane to the outward direction in which the projection protrudes. In this case, the protrusion may be in the form of a body and a mushroom-shaped head provided at an end of the body.

상기 돌기는 기둥형 또는 라인형일 수 있다. The protrusions may be columnar or line-shaped.

상기 고분자 전해질막의 면방향과 평행한 방향으로, 상기 돌기의 단면형태는 원형, 타원형, 다각형, 별형 등일 수 있으며, 특별히 한정하지 않는다. The cross-sectional shape of the projection in a direction parallel to the plane direction of the polymer electrolyte membrane may be circular, elliptical, polygonal, star-shaped, and the like, and is not particularly limited.

상기 돌기의 높이는 1㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다. 여기서, 상기 돌기의 높이는 복수의 돌기로 형성된 홈부의 바닥으로부터 상기 돌기의 단부까지의 거리를 의미한다. The height of the protrusions may be 1 탆 or more and 100 탆 or less. Here, the height of the protrusion means the distance from the bottom of the groove formed by the plurality of protrusions to the end of the protrusion.

상기 돌기의 폭은 1㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다. 여기서, 상기 돌기의 폭은 상기 고분자 전해질막의 면방향과 평행한 방향으로 돌기의 단면에서 둘레의 한 점으로부터 다른 점까지 단면의 중심을 지나는 거리를 의미한다. The width of the protrusions may be 1 탆 or more and 100 탆 or less. Here, the width of the protrusion means a distance passing through the center of the cross section from one point to the other point in the cross section of the protrusion in the direction parallel to the plane direction of the polymer electrolyte membrane.

상기 폭증가부의 가장 긴 폭과 상기 돌기의 내측의 폭의 차이는 10nm 이상 50㎛ 이하일 수 있다. 이 경우 전극의 촉매층이 고분자 전해질 막의 돌기에 걸려 전극의 촉매층과 고분자 전해질 막간의 계면 접착력이 향상될 수 있다.The difference between the longest width of the bulged portion and the width of the inside of the projection may be 10 nm or more and 50 탆 or less. In this case, the catalyst layer of the electrode is caught by the protrusion of the polymer electrolyte membrane, so that the interfacial adhesion between the catalyst layer of the electrode and the polymer electrolyte membrane can be improved.

상기 복수의 돌기는 고분자 전해질막의 적어도 일면의 전면에 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 돌기는 고분자 전해질막 중 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층이 구비되는 면의 전면에 구비될 수 있다. The plurality of protrusions may be provided on at least one surface of the polymer electrolyte membrane. Specifically, the plurality of protrusions may be provided on the entire surface of the polyelectrolyte membrane on which the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are provided.

상기 고분자 전해질막의 두께는 5㎛ 이상 50㎛ 이하일 수 있다. 이 경우 전해질막 가스 크로스오버(gas cross over)의 최소화와 양성자이온 저항 최소화의 관점에서 최적의 상태가 되는 장점이 있다.The thickness of the polymer electrolyte membrane may be 5 占 퐉 or more and 50 占 퐉 or less. In this case, there is an advantage that an optimum state is obtained in terms of minimizing the gas cross over of the electrolyte membrane gas and minimizing the proton ion resistance.

여기서, 상기 고분자 전해질막의 두께는 고분자 전해질막의 일면으로부터 타면까지의 거리를 의미한다. 상기 고분자 전해질막의 양면에 돌기가 구비된 경우, 상기 고분자 전해질막의 두께는 일면의 복수의 돌기로 형성된 홈부의 바닥으로부터 타면의 복수의 돌기로 형성된 홈부의 바닥까지의 거리를 의미한다. Here, the thickness of the polymer electrolyte membrane means a distance from one surface to the other surface of the polymer electrolyte membrane. When the projections are provided on both sides of the polymer electrolyte membrane, the thickness of the polymer electrolyte membrane means the distance from the bottom of the groove formed by a plurality of projections on one surface to the bottom of the groove formed by the plurality of projections on the other surface.

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

본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 고분자 전해질막을 형성하는 고분자 전해질 조성물은 용매 및 이온전도성 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 an ion conductive polymer.

상기 이온전도성 고분자는 이온 전도도가 있는 고분자를 의미하며, 구체적으로 수소 양이온이 전달될 수 있는 양이온 전도도가 있는 고분자일 수 있다. The ion conductive polymer refers to a polymer having ionic conductivity, and may be a polymer having cation conductivity capable of transferring hydrogen cations.

상기 이온전도성 고분자는 탄화수소계 고분자 전해질막, 부분불소계 고분자 전해질막 또는 불소계 고분자일 수 있으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 이온전도성 고분자는 나피온, 술포네이티드 폴리 에테르에테르키톤, 술포네이티드 폴리키톤, 술포네이티드 폴리(페닐렌 옥사이드), 술포네이티드 폴리(페닐렌 술파이드), 술포네이티드 폴리술폰, 술포네이티드 폴리카보네이트, 술포네이티드 폴리스티렌, 술포네이티드 폴리이미드, 술포네이티드 폴리퀴녹살린, 술포네이티드 (포스포네이티드) 폴리포스파젠 및 술포네이티드 폴리벤즈이미다졸 중에서 선택되는 1종 이상으로 이루어질 수 있다. The ion conductive polymer may be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, a partially fluorinated polymer electrolyte membrane, or a fluorine-based polymer, and conventional materials known in the art may be used. For example, the ion conductive polymer is selected from the group consisting of Nafion, sulfonated polyether ether ketone, sulfonated polyketone, sulfonated poly (phenylene oxide), sulfonated poly (phenylene sulfide), sulfonated Polysulfones, sulfonated polycarbonates, sulfonated polystyrenes, sulfonated polyimides, sulfonated polyquinoxaline, sulfonated (phosphonite) polyphosphazenes and sulfonated polybenzimidazoles. And may be composed of one or more species.

이온전도성 고분자의 함량은 적용하고자 하는 연료 전지용 전해질막에 요구되는 적정한 IEC (ion exchange capacity) 값에 따라 조절될 수 있다. 연료 전지용 전해질막 제조를 위한 이온전도성 고분자 합성의 경우, IEC (ion exchange capacity) meq./g = mmol/g의 값을 계산하여 이온전도성 고분자를 디자인할 수 있다. 필요에 따라 다르지만, 0.5 ≤ IEC ≤ 3 의 범위 내가 되도록 고분자 함량을 선택할 수 있다. The content of the ion conductive polymer can be controlled according to the appropriate ion exchange capacity (IEC) value required for the electrolyte membrane for a fuel cell to be applied. In the case of ion-conducting polymer synthesis for electrolyte membrane production for fuel cells, the ion-conducting polymer can be designed by calculating the ion exchange capacity (IEC) meq./g = mmol / g. The polymer content can be selected so as to be within the range of 0.5 < = IEC <

상기 이온전도성 고분자의 중량평균분자량은 수만에서 수백만일 수 있다. 구체적으로, 상기 이온전도성 고분자의 중량평균분자량은 1만이상 100만이하에서 선택될 수 있다.The weight average molecular weight of the ion conductive polymer may be from several tens of thousands to several million. Specifically, the weight average molecular weight of the ion conductive polymer may be selected to be 10,000 or less.

상기 고분자 전해질막용 용매는 고분자와 반응하여 고분자를 용해시킬 수 있는 물질이면 크게 제한되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.The solvent for the polymer electrolyte membrane 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 형성되거나, 다공성 고분자막에 고분자 전해질 조성물을 함침하여 강화막으로 제조될 수 있다. The electrolyte membrane may be formed using the above 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, or a polymer may be added to the porous polymer membrane. The electrolyte composition may be impregnated into a reinforced membrane.

상기 막 전극 접합체는 상기 고분자 전해질막의 일면에 구비된 애노드 촉매층 및 상기 고분자 전해질막의 타면에 구비된 캐소드 촉매층을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 전해질막의 돌기가 구비된 일면에 구비된 애노드 촉매층 및 상기 고분자 전해질막의 돌기가 구비된 타면에 구비된 캐소드 촉매층을 포함할 수 있다.The membrane electrode assembly may include an anode catalyst layer on one side of the polymer electrolyte membrane and a cathode catalyst layer on the other side of the polymer electrolyte membrane. Specifically, the anode catalyst layer may include an anode catalyst layer provided on one side of the polymer electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer provided on the other side of the polymer electrolyte membrane.

상기 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층은 각각 고분자 전해질막의 돌기 사이의 공간을 채우고, 돌기의 단부 상에 구비될 수 있다. 이 경우 전극의 촉매층과 고분자 전해질 막간의 계면 접착력이 향상이 될 수 있다.The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer may be respectively provided on the ends of the projections, filling the space between the projections of the polymer electrolyte membrane. In this case, the interfacial adhesion between the catalyst layer of the electrode and the polymer electrolyte membrane can be improved.

상기 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층은 각각 촉매 및 이오노머(ionomer)를 포함할 수 있다.The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer may include a catalyst and an ionomer, respectively.

상기 촉매는 연료 전지에서 촉매의 역할을 할 수 있다면 그 종류를 한정하지 않으나, 백금, 전이금속 및 백금-전이금속 합금 중 하나를 포함할 수 있다. The catalyst may be one of platinum, a transition metal, and a platinum-transition metal alloy, although the type of the catalyst is not limited as long as it can serve as a catalyst in a fuel cell.

여기서, 전이금속은 주기율표에서 3 내지 11족 원소이며, 예를 들면, 루테늄, 오스뮴, 팔라듐, 몰리브덴 및 로듐 중 어느 하나일 수 있다. Here, the transition metal is an element of Group 3 to Group 11 in the periodic table, and may be any one of ruthenium, osmium, palladium, molybdenum and rhodium.

구체적으로, 상기 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-몰리브덴 합금 및 백금-로듐 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.Specifically, the catalyst may be selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-molybdenum alloy and platinum-rhodium alloy. .

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 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 support include graphite, carbon black, acetylene black, denka black, cacao black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nano ring, A mixture of two or more selected from the group consisting of fullerene (C60) and Super P black (Super P black) is a preferred example.

상기 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질막으로 이동하기 위한 통로를 제공하여 주는 역할을 한다. 상기 이오노머는 구체적으로 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 사용될 수 있다.The ionomer provides a path for ions generated by the reaction between the fuel and the catalyst, such as hydrogen or methanol, to move to the electrolyte membrane. The ionomer may specifically be a sulfonated polymer such as Nafion ionomer or sulfonated polytrifluorostyrene.

상기 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층을 형성하는 각각의 촉매 잉크는 독립적으로 촉매, 이오노머 및 용매를 포함할 수 있다.Each catalyst ink forming the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer may independently include a catalyst, an ionomer and a solvent.

상기 촉매 잉크에 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.As the solvent contained in the catalyst ink, any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of water, butanol, isopropanol, methanol, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate and ethylene glycol is preferably used Can be used.

촉매층을 도입하는 과정은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행할 수 있는데, 예를 들면 촉매 잉크를 전해질막에 직접적으로 코팅하거나, 이형성 기재에 촉매층을 형성한 후 전해질막에 열압착하고 이형성 기재를 제거하여 형성하거나, 기체확산층에 코팅하여 촉매층을 형성할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 잉크젯 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다.The process of introducing the catalyst layer can be performed by a conventional method known in the art. For example, the catalyst ink may be directly coated on the electrolyte membrane, or a catalyst layer may be formed on the releasable substrate, followed by thermocompression bonding to the electrolyte membrane, The catalyst layer may be formed by removing the substrate or by coating the gas diffusion layer. The method of coating the catalyst ink is not particularly limited, but spray coating, tape casting, screen printing, blade coating, inkjet coating, die coating or spin coating may be used.

상기 애노드 기체확산층 및 캐소드 기체확산층은 촉매층의 일면에 각각 구비되며, 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층은 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다.The anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are provided on one surface of the catalyst layer, respectively, and serve as a current conductor and have a porous structure as a reaction gas and a water passage. 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.

상기 기체확산층의 두께는 200㎛ 이상 500㎛ 이하일 수 있다. 이 경우 가스확산층을 통한 반응물가스 전달 저항 최소화와 가스확산층 내 적정수분 함유 관점에서 최적의 상태가 되는 장점이 있다.The thickness of the gas diffusion layer may be 200 탆 or more and 500 탆 or less. In this case, there is an advantage that the reactant gas transfer resistance through the gas diffusion layer is minimized and the optimum state is obtained from the viewpoint of proper water content in the gas diffusion layer.

본 명세서는 상기 막 전극 접합체 포함하는 연료 전지를 제공한다. 구체적으로, 상기 연료 전지는 2 이상의 막 전극 접합체를 포함할 수 있다. The present invention provides a fuel cell including the membrane electrode assembly. Specifically, the fuel cell may include at least two membrane electrode assemblies.

상기 연료 전지는 본 명세서에 따른 2 이상의 막 전극 접합체와 막 전극 접합체들 사이에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 스택으로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지를 제공한다. Said fuel cell comprising a stack comprising at least two membrane electrode assemblies according to this specification and a separator provided between membrane electrode assemblies; A fuel supply unit for supplying fuel to the stack; And an oxidant supply part for supplying the oxidant to the stack.

도 3은 연료 전지의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료 전지는 스택(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.3 schematically shows the structure of a fuel cell, which includes a stack 60, an oxidant supply unit 70, and a fuel supply unit 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 복수의 돌기가 표면에 구비된 고분자 전해질막을 준비하는 단계; 상기 고분자 전해질막의 일면에 애노드 촉매층을 형성하는 단계; 및 상기 고분자 전해질막의 타면에 캐소드 촉매층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 돌기는, 상기 돌기가 상기 고분자 전해질막과 접촉된 내측으로부터 상기 돌기가 돌출된 외측방향으로, 폭이 증가하는 폭증가부가 구비된 것인 막 전극 접합체의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a method of manufacturing a polymer electrolyte membrane, comprising: preparing a polymer electrolyte membrane having a plurality of projections on a surface thereof; Forming an anode catalyst layer on one side of the polymer electrolyte membrane; And forming a cathode catalyst layer on the other surface of the polymer electrolyte membrane, wherein the protrusion is provided with a protuberance portion in which a width of the protuberance increases from an inner side where the protrusion is in contact with the polyelectrolyte membrane to an outward direction in which the protrusion protrudes Wherein the membrane electrode assembly is a membrane electrode assembly.

상기 막 전극 접합체의 제조방법에서, 상술한 막 전극 접합체에 대한 설명을 인용할 수 있다. In the above-described method for producing a membrane electrode assembly, description of the membrane electrode assembly described above can be cited.

본 명세서에 따른 제1 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질막을 준비하는 단계는 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제1 몰드를 준비하는 단계; 상기 제1 몰드를 이용하여 제1 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 기재를 형성하는 단계; 패턴이 형성된 기재의 표면에 무기산화물을 스퍼터링하여 무기산화물을 증착하여 제2 몰드를 제조하는 단계; 상기 제2 몰드를 이용하여 제2 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제3 몰드를 제조하는 단계; 및 상기 제3 몰드를 이용하여 제 3 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 고분자 전해질막을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. According to a first embodiment of the present invention, the step of preparing the polyelectrolyte membrane comprises: preparing a first mold having a pattern of a relief portion and a relief portion; Forming a substrate having a pattern of embossed portions and embossed portions inverted with the first mold using the first mold; Depositing an inorganic oxide on the surface of the patterned substrate by sputtering an inorganic oxide to produce a second mold; Using the second mold to produce a third mold having a pattern of inverted engraved portions and embossed portions with the second mold; And fabricating a polymer electrolyte membrane having a pattern of an engraved portion and an embossed portion inverted from the third mold using the third mold.

도 4에 도시된 바와 같이, 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제1 몰드(100)를 이용하여 상기 제1 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 기재(230)를 형성한 후 패턴이 형성된 기재의 표면에 무기산화물을 스퍼터링하여 기재의 양각부의 말단부에 무기산화물이 상대적으로 더 많이 증착된 제2 몰드(200)를 제조할 수 있다. 상기 제2 몰드를 이용하여 제2 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제3 몰드(300)를 제조한 후, 제2 몰드를 이용하여 제3 몰드(300)와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 고분자 전해질막을 제조할 수 있다. As shown in FIG. 4, after the base 230 having the patterns of the engraved portions and the embossed portions inverted from the first mold is formed by using the first mold 100 having the pattern of the engraved portion and the embossed portion, An inorganic oxide is sputtered on the surface of the formed substrate to produce a second mold 200 in which inorganic oxides are relatively more deposited on the ends of the embossed portions of the substrate. After the third mold 300 having the pattern of the engraved portion and the embossed portion inverted from the second mold is manufactured by using the second mold, the third mold 300 and the inverted engraved portion are formed by using the second mold, A polymer electrolyte membrane having a pattern of embossed portions can be produced.

상기 제1 몰드는 실리콘 와이퍼 또는 유리 등의 표면 상에 패턴이 새겨진 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 몰드는 실리콘 와이퍼의 일면에 패턴이 새겨진 것일 수 있다. The first mold may be patterned on a surface of a silicon wiper or glass or the like. Specifically, the first mold may be patterned on one side of the silicon wiper.

상기 기재는 제1 몰드의 패턴이 형성된 면 상에 도포한 후 경화하여 패턴을 형성하고 제1 몰드로부터 이형성이 있다면 특별히 한정하지 않으나, 기재는 실록산계 고분자 또는 폴리우레탄계 고분자로 제조될 수 있다. The substrate is not particularly limited as long as it is applied onto the surface of the first mold on which the pattern is formed and then cured to form a pattern and is releasable from the first mold, but the substrate may be made of a siloxane polymer or a polyurethane polymer.

상기 기재 상에 증착되는 무기산화물은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, SiO2, Al2O3 등일 수 있다. The inorganic oxide deposited on the substrate is not particularly limited, but may be, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , and the like.

상기 무기산화물은 10분 이상 120분 이하의 시간 동안 50W 이상 100W 이하의 출력으로 기재 상에 스퍼터링될 수 있다. 이 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 상대적으로 기재의 양각부의 말단부에 무기산화물이 상대적으로 더 많이 증착되어 양각부의 폭이 증가하는 폭증가부를 형성할 수 있다. The inorganic oxide may be sputtered onto the substrate at an output of 50 W to 100 W for 10 minutes to 120 minutes. In this case, as shown in FIG. 4, relatively more inorganic oxide may be deposited on the end portion of the relief portion of the substrate to form a thickening portion where the width of the relief portion is increased.

상기 제3 몰드는 제2 몰드의 패턴이 형성된 면 상에 도포한 후 경화하여 패턴을 형성하고 제2 몰드로부터 이형성이 있다면 특별히 한정하지 않으나, 상기 제3 몰드는 실록산계 고분자 또는 폴리우레탄계 고분자로 제조될 수 있다. The third mold may be formed of a siloxane-based polymer or a polyurethane-based polymer, although the third mold is not particularly limited as long as it is coated on the surface of the second mold and then cured to form a pattern and is releasable from the second mold. .

본 명세서에 따른 제2 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질막을 준비하는 단계는 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제1 몰드를 준비하는 단계; 상기 제1 몰드를 이용하여 제1 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 기재를 형성하는 단계; 패턴이 형성된 기재를 어느 한 방향으로 기울여 무기산화물을 증착한 후 상기 어느 한 방향과 반대 방향으로 기울여 무기산화물을 증착함으로써, 상기 기재의 양각부의 말단부에 무기산화물이 상대적으로 더 많이 증착된 제2 몰드를 제조하는 단계; 상기 제2 몰드를 이용하여 제2 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제3 몰드를 제조하는 단계; 및 상기 제3 몰드를 이용하여 제 3 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 고분자 전해질막을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. According to a second embodiment of the present disclosure, the step of preparing the polyelectrolyte membrane includes: preparing a first mold having a pattern of a relief portion and a relief portion; Forming a substrate having a pattern of embossed portions and embossed portions inverted with the first mold using the first mold; A second mold in which an inorganic oxide is relatively more deposited on the end portion of the relief portion of the substrate by depositing an inorganic oxide by tilting the patterned substrate in one direction and then tilting the inorganic oxide in a direction opposite to the one direction, ; Using the second mold to produce a third mold having a pattern of inverted engraved portions and embossed portions with the second mold; And fabricating a polymer electrolyte membrane having a pattern of an engraved portion and an embossed portion inverted from the third mold using the third mold.

도 5에 도시된 바와 같이, 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제1 몰드(100)를 이용하여 상기 제1 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 기재(230)를 형성한 후 패턴이 형성된 기재를 어느 한 방향으로 기울여 무기산화물을 증착한 후 상기 어느 한 방향과 반대 방향으로 기울여 무기산화물을 증착함으로써, 상기 기재의 양각부의 말단부에 무기산화물이 상대적으로 더 많이 증착된 제2 몰드(200)를 제조할 수 있다. 상기 제2 몰드를 이용하여 제2 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제3 몰드(300)를 제조한 후, 제3 몰드(300)를 이용하여 제3 몰드(300)와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 고분자 전해질막을 제조할 수 있다.As shown in FIG. 5, after forming the substrate 230 having the pattern of the engraved portion and the embossed portion inverted from the first mold using the first mold 100 having the pattern of the engraved portion and the embossed portion, A second mold 200 having a relatively larger amount of inorganic oxide deposited on the end portion of the relief portion of the substrate by depositing inorganic oxide by tilting the formed substrate in either direction and then tilting the inorganic oxide in a direction opposite to the one direction ) Can be produced. After the third mold 300 having the pattern of the engraved portion and the embossed portion inverted from the second mold is manufactured using the second mold 300, the third mold 300 is inverted with the third mold 300, A polymer electrolyte membrane having a pattern of engraved portions and embossed portions can be produced.

상기 제1 몰드는 실리콘 와이퍼 또는 유리 등의 표면 상에 패턴이 새겨진 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 몰드는 실리콘 와이퍼의 일면에 패턴이 새겨진 것일 수 있다. The first mold may be patterned on a surface of a silicon wiper or glass or the like. Specifically, the first mold may be patterned on one side of the silicon wiper.

상기 기재는 제1 몰드의 패턴이 형성된 면 상에 도포한 후 경화하여 패턴을 형성하고 제1 몰드로부터 이형성이 있다면 특별히 한정하지 않으나, 기재는 실록산계 고분자 또는 폴리우레탄계 고분자로 제조될 수 있다. The substrate is not particularly limited as long as it is applied onto the surface of the first mold on which the pattern is formed and then cured to form a pattern and is releasable from the first mold, but the substrate may be made of a siloxane polymer or a polyurethane polymer.

상기 기재 상에 증착되는 무기산화물은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, SiO2, Al2O3 등일 수 있다. The inorganic oxide deposited on the substrate is not particularly limited, but may be, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , and the like.

상기 무기산화물은 10분 이상 120분 이하의 시간 동안 25W 이상 50W 이하의 출력으로 기재 상에 스퍼터링될 수 있다. 이 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 상대적으로 기재의 양각부의 말단부에 무기산화물이 상대적으로 더 많이 증착되어 양각부의 폭이 증가하는 폭증가부를 형성할 수 있다. The inorganic oxide may be sputtered onto the substrate at an output of 25 W to 50 W for 10 minutes to 120 minutes. In this case, as shown in Fig. 5, relatively more inorganic oxide may be deposited on the end portion of the embossed portion of the substrate to form a thickening portion where the width of the embossed portion is increased.

상기 기재의 기울임 정도는 지면으로부터 기울어져 있다면 특별히 한정하지 않으나, 기재의 기울어진 각도는 지면으로부터 20° 이상 60°이하일 수 있다. The degree of tilting of the base material is not particularly limited as long as it is inclined from the ground, but the tilted angle of the base material can be 20 degrees or more and 60 degrees or less from the ground.

상기 제3 몰드는 제2 몰드의 패턴이 형성된 면 상에 도포한 후 경화하여 패턴을 형성하고 제2 몰드로부터 이형성이 있다면 특별히 한정하지 않으나, 상기 제3 몰드는 실록산계 고분자 또는 폴리우레탄계 고분자로 제조될 수 있다.The third mold may be formed of a siloxane-based polymer or a polyurethane-based polymer, although the third mold is not particularly limited as long as it is coated on the surface of the second mold and then cured to form a pattern and is releasable from the second mold. .

본 명세서에 따른 제3 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질막을 준비하는 단계는 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제1 몰드를 준비하는 단계; 상기 제1 몰드를 이용하여 제1 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 기재를 형성하는 단계; 상기 기재의 양각부의 말단을 경화성 수지 조성물에 접촉시켜 기재의 양각부의 말단에만 경화성 수지 조성물을 도포하여 제2 몰드를 제조하는 단계; 상기 제2 몰드를 이용하여 제2 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제3 몰드를 제조하는 단계; 및 상기 제3 몰드를 이용하여 제 3 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 고분자 전해질막을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. According to a third embodiment of the present invention, the step of preparing the polymer electrolyte membrane includes: preparing a first mold having a pattern of a relief portion and a relief portion; Forming a substrate having a pattern of embossed portions and embossed portions inverted with the first mold using the first mold; Preparing a second mold by contacting the end of the embossed portion of the substrate with the curable resin composition to apply the curable resin composition only to the end of the embossed portion of the substrate; Using the second mold to produce a third mold having a pattern of inverted engraved portions and embossed portions with the second mold; And fabricating a polymer electrolyte membrane having a pattern of an engraved portion and an embossed portion inverted from the third mold using the third mold.

도 6에 도시된 바와 같이, 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제1 몰드(100)를 이용하여 상기 제1 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 기재(230)를 형성할 수 있다. 기판 상에 도포된 경화성 수지 조성물층(600)의 표면에 상기 기재의 양각부의 단부를 접촉시켜 기재의 양각부의 말단에만 경화성 수지 조성물을 도포하여 제2 몰드(200)를 제조할 수 있다. 상기 제2 몰드를 이용하여 제2 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제3 몰드(300)를 제조한 후, 제2 몰드를 이용하여 제3 몰드(300)와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 고분자 전해질막을 제조할 수 있다.As shown in FIG. 6, the first mold 100 having the pattern of the engraved portion and the embossed portion may be used to form the substrate 230 having the pattern of the inverted embossed portion and the embossed portion inverted from the first mold. The second mold 200 can be manufactured by contacting the end of the embossed portion of the substrate with the surface of the curable resin composition layer 600 coated on the substrate to apply the curable resin composition only to the end of the embossed portion of the substrate. After the third mold 300 having the pattern of the engraved portion and the embossed portion inverted from the second mold is manufactured by using the second mold, the third mold 300 and the inverted engraved portion are formed by using the second mold, A polymer electrolyte membrane having a pattern of embossed portions can be produced.

상기 제1 몰드는 실리콘 와이퍼 또는 유리 등의 표면 상에 패턴이 새겨진 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 몰드는 실리콘 와이퍼의 일면에 패턴이 새겨진 것일 수 있다. The first mold may be patterned on a surface of a silicon wiper or glass or the like. Specifically, the first mold may be patterned on one side of the silicon wiper.

상기 기재는 제1 몰드의 패턴이 형성된 면 상에 도포한 후 경화하여 패턴을 형성하고 제1 몰드로부터 이형성이 있다면 특별히 한정하지 않으나, 기재는 실록산계 고분자 또는 폴리우레탄계 고분자로 제조될 수 있다. The substrate is not particularly limited as long as it is applied onto the surface of the first mold on which the pattern is formed and then cured to form a pattern and is releasable from the first mold, but the substrate may be made of a siloxane polymer or a polyurethane polymer.

상기 경화성 수지 조성물은 실록산계 고분자의 전구체를 포함할 수 있으며, 상기 경화성 수지 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 경화성 수지 조성물의 고형분의 함량은 3중량% 이상 70중량% 이하일 수 있다. The curable resin composition may include a precursor of a siloxane-based polymer, and the solid content of the curable resin composition may be 3 wt% or more and 70 wt% or less based on the total weight of the curable resin composition.

상기 제3 몰드는 제2 몰드의 패턴이 형성된 면 상에 도포한 후 경화하여 패턴을 형성하고 제2 몰드로부터 이형성이 있다면 특별히 한정하지 않으나, 상기 제3 몰드는 실록산계 고분자 또는 폴리우레탄계 고분자로 제조될 수 있다.The third mold may be formed of a siloxane-based polymer or a polyurethane-based polymer, although the third mold is not particularly limited as long as it is coated on the surface of the second mold and then cured to form a pattern and is releasable from the second mold. .

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]

음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제1 몰드로서 실리콘 와이퍼를 준비하고, 제1 몰드 상에 폴리우레탄 고분자를 포함하는 조성물을 도포하여 제1 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 폴리우레탄 기재를 형성했다. 패턴이 형성된 기재의 표면에 SiO2 또는 Al2O3을 스퍼터링하여 기재의 양각부의 말단부에 무기산화물이 상대적으로 더 많이 증착된 제2 몰드를 제조했다. Preparing a silicone wiper as a first mold having a pattern of a relief portion and a relief portion, applying a composition including a polyurethane polymer on the first mold, and forming a polyurethane substrate having a pattern of a relief portion and a relief portion inverted from the first mold . The pattern is formed by sputtering SiO 2 or Al 2 O 3 on the surface of the base material was produced in the distal end of the boss portion described inorganic oxide is relatively more depositing a second mold.

무기산화물이 증착된 제2 몰드의 단면을 관찰한 주사전자현미경(SEM)의 이미지를 도 4에 도시했다. An image of a scanning electron microscope (SEM) observing a cross section of a second mold on which an inorganic oxide is deposited is shown in Fig.

상기 제2 몰드 상에 폴리디메틸실록산(PDMS)의 전구체를 포함하는 조성물을 이용하여 제2 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제3 몰드를 제조했다. 제 3 몰드 상에 Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES)를 포함하는 조성물을 도포하여 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 고분자 전해질막을 제조했다. A third mold having a pattern of engraved and embossed portions inverted with the second mold was prepared using a composition comprising a precursor of polydimethylsiloxane (PDMS) on the second mold. A composition containing sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES) was applied on a third mold to prepare a polymer electrolyte membrane having inverted engraved and embossed patterns.

[실시예 2] [Example 2]

음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제1 몰드로서 실리콘 와이퍼를 준비하고, 제1 몰드 상에 폴리우레탄 고분자를 포함하는 조성물을 도포하여 제1 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 폴리우레탄 기재를 형성했다. 패턴이 형성된 기재의 일측에 슬라이드 글래스를 놓아 지면으로부터 45°기울여 SiO2 또는 Al2O3을 증착한 후 반대로 타측에 슬라이드 글래스를 놓아 지면으로부터 45° 기울여 SiO2 또는 Al2O3을 다시 증착하여 제2 몰드를 제조했다. Preparing a silicone wiper as a first mold having a pattern of a relief portion and a relief portion, applying a composition including a polyurethane polymer on the first mold, and forming a polyurethane substrate having a pattern of a relief portion and a relief portion inverted from the first mold . A slide glass is placed on one side of the patterned substrate, and SiO 2 or Al 2 O 3 is deposited at an angle of 45 ° with respect to the surface of the substrate. Thereafter, the slide glass is placed on the other side of the substrate and the SiO 2 or Al 2 O 3 is re- A second mold was prepared.

무기산화물이 증착된 제2 몰드의 단면을 관찰한 주사전자현미경(SEM)의 이미지를 도 5에 도시했다.An image of a scanning electron microscope (SEM) observing a cross section of a second mold having an inorganic oxide deposited thereon is shown in Fig.

상기 제2 몰드 상에 폴리디메틸실록산(PDMS)의 전구체를 포함하는 조성물을 이용하여 제2 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제3 몰드를 제조했다. 제 3 몰드 상에 Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES)를 포함하는 조성물을 도포하여 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 고분자 전해질막을 제조했다.A third mold having a pattern of engraved and embossed portions inverted with the second mold was prepared using a composition comprising a precursor of polydimethylsiloxane (PDMS) on the second mold. A composition containing sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES) was applied on a third mold to prepare a polymer electrolyte membrane having inverted engraved and embossed patterns.

[실시예 3][Example 3]

음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제1 몰드로서 실리콘 와이퍼를 준비하고, 제1 몰드 상에 폴리우레탄 고분자를 포함하는 조성물을 도포하여 제1 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 폴리우레탄 기재를 형성했다.Preparing a silicone wiper as a first mold having a pattern of a relief portion and a relief portion, applying a composition including a polyurethane polymer on the first mold, and forming a polyurethane substrate having a pattern of a relief portion and a relief portion inverted from the first mold .

기판 상에 폴리디메틸실록산(PDMS)의 전구체를 포함하는 조성물(폴리디메틸실록산의 전구체: 가교제의 중량비= 90: 10)을 30분 동안 스핀코팅하여 점착성이 있는 경화성 수지 조성물층을 형성했다. A composition comprising a precursor of polydimethylsiloxane (PDMS) (polydimethylsiloxane precursor: crosslinking agent weight ratio = 90: 10) was spin-coated on the substrate for 30 minutes to form a curable curable resin composition layer.

상기 폴리우레탄 기재의 양각부의 말단을 상기 경화성 수지 조성물층에 접촉하여 제2 몰드를 제조했다. 이때 경화성 수지 조성물층에 접촉되는 양각부 말단의 깊이는 양각부 길이의 50% 이하일 수 있다.The end of the embossed portion of the polyurethane base was brought into contact with the curable resin composition layer to prepare a second mold. At this time, the depth of the end of the embossed portion contacting the curable resin composition layer may be 50% or less of the length of the embossed portion.

상기 제2 몰드 상에 폴리디메틸실록산(PDMS)의 전구체를 포함하는 조성물을 이용하여 제2 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제3 몰드를 제조했다. 제 3 몰드 상에 Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES)를 포함하는 조성물을 도포하여 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 고분자 전해질막을 제조했다.A third mold having a pattern of engraved and embossed portions inverted with the second mold was prepared using a composition comprising a precursor of polydimethylsiloxane (PDMS) on the second mold. A composition containing sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES) was applied on a third mold to prepare a polymer electrolyte membrane having inverted engraved and embossed patterns.

[비교예 1][Comparative Example 1]

SPAES 고분자 Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) 1g을 용매로서 디메틸아세트아마이드(N,N-dimethyl acetamide, DMAc) 9g에 녹인 후 300㎛ 닥터블레이드를 이용하여 캐스팅법으로 돌기가 없는 전해질막 을 제조했다.SPAES 1 g of sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES) was dissolved in 9 g of N, N-dimethyl acetamide (DMAc) as a solvent, and an electrolyte membrane without a projection was prepared by casting method using a 300 μm doctor blade did.

[비교예 2][Comparative Example 2]

음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제1 몰드로서 실리콘 와이퍼를 준비하고, 제1 몰드 상에 폴리디메틸실록산(PDMS)의 전구체를 포함하는 조성물(폴리디메틸실록산의 전구체: 가교제의 중량비= 90: 10)을 스핀코팅 또는 캐스팅법으로 용액을 도포한 후 60℃ 진공오븐에서 12시간 건조한 후 제1 몰드로부터 분리하여 제2 몰드를 제조했다. 상기 제2 몰드 위에 Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) 1g을 용매로서 디메틸아세트아마이드(N,N-dimethyl acetamide, DMAc) 9g에 녹인 용액을 스핀코팅 또는 캐스팅법으로 도포한 후 60℃ 진공오븐에서 12시간 건조 후 폭이 일정한 돌기가 구비된 고분자 전해질막을 제조했다.A composition (polydimethylsiloxane precursor: crosslinker weight ratio = 90: 10) comprising a polydimethylsiloxane (PDMS) precursor on a first mold was prepared as a first mold with a pattern of engraved and embossed portions, Was coated with the solution by spin coating or casting, dried in a vacuum oven at 60 캜 for 12 hours, and then separated from the first mold to prepare a second mold. A solution of 1 g of sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES) as a solvent in 9 g of N, N-dimethyl acetamide (DMAc) was applied on the second mold by spin coating or casting method, To prepare a polymer electrolyte membrane having a constant width after drying for 12 hours.

폭이 일정한 돌기가 구비된 고분자 전해질막을 관찰한 주사전자현미경(SEM)의 이미지를 도 7에 도시했다.FIG. 7 shows an image of a scanning electron microscope (SEM) observing a polymer electrolyte membrane provided with protrusions having a constant width.

10: 전해질막
20, 21: 촉매층
30, 31: 기체확산층
50: 캐소드
51: 애노드
60: 스택
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료 탱크
82: 펌프
100: 제1 몰드
200: 제2 몰드 230: 기재
250: 무기산화물
300: 제3 몰드
400: 전해질막
500: 돌기 530: 폭증가부
560: 폭감소부
580: 홈부
600: 경화성 수지 조성물층
10: electrolyte membrane
20, 21: catalyst layer
30, 31: gas diffusion layer
50: cathode
51: anode
60: Stack
70: oxidant supplier
80: fuel supply unit
81: Fuel tank
82: Pump
100: First mold
200: second mold 230: substrate
250: inorganic oxide
300: third mold
400: electrolyte membrane
500: Projection 530:
560: width reduction portion
580: Groove
600: Curable resin composition layer

Claims (14)

복수의 돌기가 표면에 구비된 고분자 전해질막;
상기 고분자 전해질막의 일면에 구비된 애노드 촉매층; 및
상기 고분자 전해질막의 타면에 구비된 캐소드 촉매층을 포함하며,
상기 돌기는, 상기 돌기가 상기 고분자 전해질막과 접촉된 내측으로부터 상기 돌기가 돌출된 외측방향으로, 폭이 증가하는 폭증가부가 구비된 것인 막 전극 접합체.
A polymer electrolyte membrane having a plurality of protrusions on its surface;
An anode catalyst layer provided on one surface of the polymer electrolyte membrane; And
And a cathode catalyst layer provided on the other surface of the polymer electrolyte membrane,
Wherein the protrusions are provided with a thickening portion in which the width of the protrusions increases inward from an inside of the protrusions in contact with the polymer electrolyte membrane and protruding from the protrusions.
청구항 1에 있어서, 상기 돌기는, 상기 돌기가 상기 고분자 전해질막과 접촉된 내측으로부터 상기 돌기가 돌출된 외측방향으로, 폭이 감소하는 폭감소부가 구비된 것인 막 전극 접합체.The membrane electrode assembly of claim 1, wherein the protrusions are provided with a width decreasing portion whose width decreases from the inside of the projection in contact with the polyelectrolyte membrane to the outward direction in which the protrusions protrude. 청구항 2에 있어서, 상기 돌기의 폭증가부와 폭감소부는, 상기 돌기가 상기 고분자 전해질막과 접촉된 내측으로부터 상기 돌기가 돌출된 외측방향으로, 연속적으로 구비된 것인 막 전극 접합체.The membrane electrode assembly according to claim 2, wherein the protruding portion and the width reducing portion of the protrusion are provided continuously from the inside of the projection in contact with the polymer electrolyte membrane to the outward protruding direction of the protrusion. 청구항 1에 있어서, 상기 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층은 상기 고분자 전해질막의 돌기 사이의 공간을 채우고, 돌기의 단부 상에 구비된 것인 막 전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are provided on ends of the projections, filling a space between projections of the polymer electrolyte membrane. 청구항 1에 있어서, 상기 돌기는 기둥형 또는 라인형인 것인 막 전극 접합체.The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the projections are columnar or line-shaped. 청구항 1에 있어서, 상기 돌기의 높이는 1㎛ 이상 100㎛ 이하인 것인 막 전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the height of the protrusions is 1 탆 or more and 100 탆 or less. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 돌기 중 어느 하나의 돌기와 상기 어느 하나의 돌기와 이웃한 돌기의 간격이 1㎛ 이상 100㎛ 이하인 것인 막 전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein a distance between any one of the plurality of projections and one of the projections and the adjacent projections is not less than 1 占 퐉 and not more than 100 占 퐉. 청구항 1에 있어서, 상기 돌기의 폭은 1㎛ 이상 100㎛ 이하인 것인 막 전극 접합체.The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the width of the protrusions is 1 탆 or more and 100 탆 or less. 청구항 1에 있어서, 상기 폭증가부의 가장 긴 폭과 상기 돌기의 내측의 폭의 차이는 10nm 이상 50㎛ 이하인 것인 막 전극 접합체.The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the difference between the longest width of the enlarged portion and the width of the inside of the protrusion is 10 nm or more and 50 μm or less. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항의 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지.A fuel cell comprising the membrane electrode assembly of any one of claims 1 to 9. 복수의 돌기가 표면에 구비된 고분자 전해질막을 준비하는 단계;
상기 고분자 전해질막의 일면에 애노드 촉매층을 형성하는 단계; 및
상기 고분자 전해질막의 타면에 캐소드 촉매층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 돌기는, 상기 돌기가 상기 고분자 전해질막과 접촉된 내측으로부터 상기 돌기가 돌출된 외측방향으로, 폭이 증가하는 폭증가부가 구비된 것인 막 전극 접합체의 제조방법.
Preparing a polyelectrolyte membrane having a plurality of projections on its surface;
Forming an anode catalyst layer on one side of the polymer electrolyte membrane; And
And forming a cathode catalyst layer on the other surface of the polymer electrolyte membrane,
Wherein the protrusions are provided with an enlarged portion in which a width of the protrusions increases from an inner side where the protrusions are in contact with the polymer electrolyte membrane to an outward direction in which the protrusions are protruded.
청구항 11에 있어서, 상기 고분자 전해질막을 준비하는 단계는 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제1 몰드를 준비하는 단계; 상기 제1 몰드를 이용하여 제1 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 기재를 형성하는 단계; 패턴이 형성된 기재의 표면에 무기산화물을 스퍼터링하여 제2 몰드를 제조하는 단계; 상기 제2 몰드를 이용하여 제2 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제3 몰드를 제조하는 단계; 및 상기 제3 몰드를 이용하여 제 3 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 고분자 전해질막을 제조하는 단계를 포함하는 것인 막 전극 접합체의 제조방법.[12] The method of claim 11, wherein preparing the polyelectrolyte membrane comprises: preparing a first mold having a pattern of a relief portion and a relief portion; Forming a substrate having a pattern of embossed portions and embossed portions inverted with the first mold using the first mold; Sputtering an inorganic oxide on the surface of the patterned substrate to produce a second mold; Using the second mold to produce a third mold having a pattern of inverted engraved portions and embossed portions with the second mold; And fabricating a polymer electrolyte membrane having a pattern of an engraved portion and an embossed portion inverted with the third mold using the third mold. 청구항 11에 있어서, 상기 고분자 전해질막을 준비하는 단계는 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제1 몰드를 준비하는 단계; 상기 제1 몰드를 이용하여 제1 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 기재를 형성하는 단계; 패턴이 형성된 기재를 어느 한 방향으로 기울여 무기산화물을 증착한 후 상기 어느 한 방향과 반대 방향으로 기울여 무기산화물을 증착된 제2 몰드를 제조하는 단계; 상기 제2 몰드를 이용하여 제2 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제3 몰드를 제조하는 단계; 및 상기 제3 몰드를 이용하여 제 3 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 고분자 전해질막을 제조하는 단계를 포함하는 것인 막 전극 접합체의 제조방법.[12] The method of claim 11, wherein preparing the polyelectrolyte membrane comprises: preparing a first mold having a pattern of a relief portion and a relief portion; Forming a substrate having a pattern of embossed portions and embossed portions inverted with the first mold using the first mold; Preparing a second mold having inorganic oxide deposited thereon by tilting the patterned substrate in one direction to form an inorganic oxide, and then tilting the organic oxide in a direction opposite to the one direction; Using the second mold to produce a third mold having a pattern of inverted engraved portions and embossed portions with the second mold; And fabricating a polymer electrolyte membrane having a pattern of an engraved portion and an embossed portion inverted with the third mold using the third mold. 청구항 11에 있어서, 상기 고분자 전해질막을 준비하는 단계는 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제1 몰드를 준비하는 단계; 상기 제1 몰드를 이용하여 제1 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 기재를 형성하는 단계; 상기 기재의 양각부의 말단을 경화성 수지 조성물에 접촉시켜 기재의 양각부의 말단에만 경화성 수지 조성물을 도포하여 제2 몰드를 제조하는 단계; 상기 제2 몰드를 이용하여 제2 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 제3 몰드를 제조하는 단계; 및 상기 제3 몰드를 이용하여 제 3 몰드와 반전된 음각부 및 양각부의 패턴을 갖는 고분자 전해질막을 제조하는 단계를 포함하는 것인 막 전극 접합체의 제조방법.[12] The method of claim 11, wherein preparing the polyelectrolyte membrane comprises: preparing a first mold having a pattern of a relief portion and a relief portion; Forming a substrate having a pattern of embossed portions and embossed portions inverted with the first mold using the first mold; Preparing a second mold by contacting the end of the embossed portion of the substrate with the curable resin composition to apply the curable resin composition only to the end of the embossed portion of the substrate; Using the second mold to produce a third mold having a pattern of inverted engraved portions and embossed portions with the second mold; And fabricating a polymer electrolyte membrane having a pattern of an engraved portion and an embossed portion inverted with the third mold using the third mold.
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