KR20170078272A - Electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly and fuel cell using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전지 구동시 발생하는 라디칼을 효과적으로 제거하여 우수한 내구성을 갖는 연료 전지용 전극, 상기 전극을 이용하여 안정적인 성능을 구현할 수 있는 막-전극 접합체 및 연료 전지에 관한 것이다. The present invention relates to an electrode for a fuel cell having an excellent durability by effectively removing radicals generated when a battery is driven, a membrane-electrode assembly capable of realizing stable performance using the electrode, and a fuel cell.

Description

연료 전지용 전극, 이를 이용한 막-전극 접합체 및 연료 전지{ELECTRODE FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL USING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an electrode for a fuel cell, a membrane-electrode assembly using the electrode, and a fuel cell.

본 발명은 연료 전지용 전극, 이를 이용한 막-전극 접합체 및 연료 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전지 구동시 발생하는 라디칼을 효과적으로 제거하여 우수한 내구성을 갖는 연료 전지용 전극, 상기 전극을 이용하여 안정적인 성능을 구현할 수 있는 막-전극 접합체 및 연료 전지에 관한 것이다. The present invention relates to an electrode for a fuel cell, a membrane-electrode assembly using the electrode, and a fuel cell. More particularly, the present invention relates to an electrode for a fuel cell having an excellent durability by effectively removing radicals generated when a battery is driven, a membrane-electrode assembly capable of realizing stable performance using the electrode, and a fuel cell.

고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte fuel cell, PEFC)는 수소이온 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료 전지이며, 고체 고분자 전해질 연료전지(solid polymer electrolyte fuel cells, SPEFC), 수소이온 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cells, PEMFC)등의 다양한 이름으로 불리고 있다. 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 80℃ 정도로 낮고, 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력밀도가 크고, 시동 시간이 짧은 동시에 부하변화에 따른 응답이 빠른 특성이 있다. 특히 전해질로 고분자막을 사용하기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없고 반응기체의 압력 변화에도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에, 고분자전해질 연료전지(PEFC)는 무공해 차량의 동력원, 현지 설치형 발전, 이동용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용 될 수 있는 장점이 있다.The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is a fuel cell that uses a polymer membrane with hydrogen ion exchange properties as an electrolyte. The polymer electrolyte fuel cell is a solid polymer electrolyte fuel cell (SPEFC), a hydrogen ion exchange membrane fuel cell proton exchange membrane fuel cells, and PEMFC). Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) have a low operating temperature of 80 ° C, high efficiency, high current density and power density, short startup time and fast response to load changes compared to other types of fuel cells. have. Particularly, since the polymer membrane is used as the electrolyte, it does not need to be controlled for corrosion and electrolyte and is less sensitive to changes in the pressure of the reaction gas. In addition, because of its simple design, easy fabrication, and the ability to produce a wide range of output power, PEFC can be used in a wide variety of applications, including power sources for non polluting vehicles, locally installed power generation, mobile power, and military power. There is an advantage that can be.

고분자 전해질 연료전지(PEFC)에 있어서 수소이온 교환막의 특성은 주로 이온 교환 용량(IEC: ion exchange capacity) 또는 당량 중량(EW: equivalent weight)으로 나타내어지고, 연료전지용 전해질 막으로 사용되는 수소이온 교환막이 가져야 할 성질은, 높은 수소이온 전도도와 기계적 강도, 그리고 낮은 기체 투과도 및 물의 이동이다. 탈수 시에는 수소이온 전도도가 급격히 떨어지므로 탈수에 저항성이 있어야 한다. 전해질 막이 직접 겪게 되는 산화 및 환원 반응, 가수 분해 등에 대한 내성이 커야 하며, 양이온 결합력이 좋아야 하고, 균질성이 요구된다. 그리고 이와 같은 성질들은 일정시간 동안 유지되어야 한다. 이러한 조건을 모두 만족시키는 것 이외에도, 이를 상업화와 연계하기 위해서는 값싸고 환경 친화적인 제조 기술 개발이 필요하다. The characteristics of a proton exchange membrane in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) are mainly expressed by an ion exchange capacity (IEC) or equivalent weight (EW), and a proton exchange membrane used as an electrolyte membrane for a fuel cell The properties that should have are high hydrogen ion conductivity and mechanical strength, low gas permeability and water transfer. During dehydration, the hydrogen ion conductivity drops sharply and must be resistant to dehydration. Resistance to oxidation and reduction reactions, hydrolysis, etc. directly encountered by the electrolyte membrane must be high, the cation binding force must be good, and homogeneity is required. These properties must be maintained for a certain period of time. In addition to satisfying all of these conditions, it is necessary to develop inexpensive and environmentally friendly manufacturing technology in order to link it with commercialization.

고분자 전해질 막의 종류는 과불소계와 부분 불소계, 탄화수소계로 구분지을 수 있다. 과불소계 전해질 막은 Dufont사의 Nafion®, Asahi Chemical사의 Aciplex®, Asahi Glass사의 Flemion® 등이 높은 기계적 강도 및 물리, 화학적 안정성, 높은 양이온 전도도 등 수소이온 교환막의 요건을 충족하고 있어 상용화 되었지만 수소이온 투과도가 높으며, 장시간 운전시 물리적, 화학적 안정도가 감소하여 Cell 성능이 저하된다. 한편, 불소계 및 탄화수소계 전해질 막은 연료전지 구동중 생성되는 라디칼에 의한 전해질 막의 파괴가 발생하며 이를 억제하고자 대표적으로 CeO2 등의 라디칼 포착제를 전해질 막과 함께 다공성 지지체에 함침함으로써 막-전극접합체의 내 라디칼성을 향상시키고 있다. The types of polymer electrolyte membrane can be classified into perfluorocarbon, partial fluorocarbon, and hydrocarbon. The perfluorinated electrolyte membranes were commercialized as Nafion® from Dufont, Aciplex® from Asahi Chemical, and Flemion® from Asahi Glass, which meet the requirements of hydrogen ion exchange membranes such as high mechanical strength, physical and chemical stability, and high cation conductivity, but hydrogen ion permeability And the physical and chemical stability decreases during long-term operation, and cell performance is deteriorated. Meanwhile, in the fluorine-based and hydrocarbon-based electrolyte membranes, a radical scavenger such as CeO 2 is impregnated with a porous support together with an electrolyte membrane in order to suppress the electrolyte membrane due to radicals generated during the operation of the fuel cell, Thereby improving the radical resistance.

하지만 종래의 기술의 경우, 전해질 막 표면의 라디칼 보호층의 촉매와 전극층이 전기적으로 접촉하고 있는 경우에는 라디칼 제거 효과가 감소하고 투과도가 증가하여 MEA 성능이 떨어지게 되는 한계가 있었다. However, in the case of the conventional technique, when the catalyst of the radical protection layer on the surface of the electrolyte membrane is in electrical contact with the electrode layer, there is a limit in that the radical removal effect is reduced and the permeability is increased to deteriorate the MEA performance.

이에, 라디칼 제거 효과를 극대화하면서 전지에 적용시 안정적인 성능을 구현할 수 있는 고분자 전해질 연료전지용 전극의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, it is required to develop a polymer electrolyte fuel cell electrode capable of achieving stable performance when applied to a battery while maximizing the radical scavenging effect.

본 발명은 전지 구동시 발생하는 라디칼을 효과적으로 제거하여 우수한 내구성을 갖는 연료 전지용 전극을 제공하기 위한 것이다. The present invention provides an electrode for a fuel cell having excellent durability by effectively removing radicals generated when a battery is driven.

또한, 본 발명은 상기 전극을 이용하여 안정적인 성능을 구현할 수 있는 막-전극 접합체 및 연료 전지를 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention provides a membrane-electrode assembly and a fuel cell capable of realizing stable performance by using the electrode.

본 명세서에서는, 전극 촉매층; 상기 전극 촉매층의 적어도 일면에 형성되고, 이온 전도성 고분자를 포함한 절연층; 및 상기 절연층 상에 형성되고, 적어도 1 이상의 금속 및 이온 전도성 고분자를 포함한 라디칼 보호층;을 포함하고, 상기 라디칼 보호층에 포함된 금속은 표면에 이온 전도성 고분자가 접촉한 상태로 분산되는 연료 전지용 전극이 제공된다. In the present specification, an electrode catalyst layer; An insulating layer formed on at least one surface of the electrode catalyst layer and including an ion conductive polymer; And a radical protection layer formed on the insulating layer and including at least one or more metal and ion conductive polymer, wherein the metal included in the radical protection layer is dispersed in a state in which the ion conductive polymer is in contact with the surface, An electrode is provided.

본 명세서에서는 또한, 전해질 막 및 상기 전해질 막의 양면에 구비된 2개의 전극을 포함하고, 상기 2개의 전극 중 적어도 하나 이상은 상기 연료 전지용 전극을 포함하는 연료 전지용 막-전극 접합체가 제공된다. In this specification, there is also provided a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising an electrolyte membrane and two electrodes provided on both sides of the electrolyte membrane, wherein at least one of the two electrodes includes the electrode for a fuel cell.

본 명세서에서는 또한, 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 제공된다. In this specification, a fuel cell including the membrane-electrode assembly is also provided.

이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 연료 전지용 전극, 이를 이용한 막-전극 접합체 및 연료 전지에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, an electrode for a fuel cell according to a specific embodiment of the present invention, a membrane-electrode assembly using the same, and a fuel cell will be described in detail.

발명의 일 구현예에 따르면, 전극 촉매층; 상기 전극 촉매층의 적어도 일면에 형성되고, 이온 전도성 고분자를 포함한 절연층; 및 상기 절연층 상에 형성되고, 적어도 1 이상의 금속 및 이온 전도성 고분자를 포함한 라디칼 보호층;을 포함하고, 상기 라디칼 보호층에 포함된 금속은 표면에 이온 전도성 고분자가 접촉한 상태로 분산되는 연료 전지용 전극이 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, an electrode catalyst layer; An insulating layer formed on at least one surface of the electrode catalyst layer and including an ion conductive polymer; And a radical protection layer formed on the insulating layer and including at least one or more metal and ion conductive polymer, wherein the metal included in the radical protection layer is dispersed in a state in which the ion conductive polymer is in contact with the surface, An electrode may be provided.

본 발명자들은 상술한 특정의 연료 전지용 전극을 이용하면, 라디칼 보호층과 함께 이온 전도성 고분자를 포함한 절연층을 추가로 도입함으로서, 라디칼 보호층과 전극 촉매층을 분리하여 전극과 라디칼 보호층에 각각 포함된 촉매의 전기적 접촉을 차단할 수 있음을 확인하였다. 이에 따라, 상기 라디칼 보호층에 의한 라디칼 제거효과를 최대한 발휘함으로써, 물리적/화학적으로 우수한 내구성을 갖는 전극 구조를 형성할 수 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다. The present inventors have further found that by using the above-described specific electrode for a fuel cell, by further introducing an insulating layer including an ion conductive polymer together with a radical protective layer, the radical protective layer and the electrode catalyst layer can be separated from each other, It was confirmed that the electrical contact of the catalyst can be blocked. Accordingly, it has been confirmed through experiments that the electrode structure having excellent physical / chemical durability can be formed by maximizing the radical removal effect by the radical protection layer, and the invention is completed.

특히, 상기 라디칼 보호층은 별도의 절연층에 의해 절연성을 확보할 수 있기 때문에, 종래와 같이 별도의 탄소지지체를 사용하지 않아도 됨에 따라, 상기 라디칼 보호층에서 금속 표면에 이온 전도성 고분자가 직접 접촉한 상태로 분산될 수 있어, 라디칼 제거효율을 극대화시킬 수 있다.Particularly, since the insulation of the radical protection layer can be ensured by a separate insulation layer, there is no need to use a separate carbon support as in the prior art, so that the ion conductive polymer is in direct contact with the metal surface in the radical protection layer State, and the radical removal efficiency can be maximized.

또한, 상기 절연층은 이온 전도성 고분자를 포함하고 있어, 전극 촉매층과 라디칼 보호층의 촉매와의 전기적 접촉을 차단할 뿐만 아니라, 연료전지에 적용되어 구동시켰을 때에도, 우수한 전기적 특성을 바탕으로 종래에 비해 향상된 성능을 구현할 수 있다.In addition, since the insulating layer includes the ion conductive polymer, not only the electrical contact between the electrode catalyst layer and the catalyst of the radical protecting layer is blocked, but also when applied to a fuel cell and driven, Performance can be realized.

상술한 일 구현예의 연료 전지용 전극은 태양전지, 2차 전지, 수퍼 커패시커 등과 같은 모든 에너지 저장 및 생산 장치에 사용될 수 있다. 또한, 유기 전계 발광 소자에도 사용될 수 있다. The electrode for a fuel cell of the above-described embodiment can be used for all energy storage and production devices such as a solar cell, a secondary battery, a supercapacitor, and the like. It can also be used for an organic electroluminescent device.

구체적으로, 상기 일 구현예의 연료 전지용 전극을 살펴보면 다음과 같다.Specifically, the electrode for a fuel cell of one embodiment will be described as follows.

전극 촉매층The electrode catalyst layer

상기 전극 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원 반응을 촉진시키는 것으로 알려진 통상의 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 촉매층은 백금족 금속 (백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 및 오스뮴), 금, 은, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으며, 상기 금속들과 베이스 금속 (갈륨, 티타늄, 바나듐, 크로뮴, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연 등)의 합금이 포함될 수 있다. The electrode catalyst layer may comprise conventional metals known to catalyze the oxidation of hydrogen and the reduction of oxygen. For example, the electrode catalyst layer may include a platinum group metal (platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, and osmium), gold, silver, Vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, and the like).

상기 금속은 비담지 상태 또는 담지 상태로 사용될 수 있다. 상기 금속이 담지 상태인 경우, 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소계 담체, 알루미나, 실리카와 같은 무기 담체에 담지된 상태로 사용될 수 있다. 상기 금속이 담지된 상태로 사용되는 경우, 적절한 촉매 효과의 발현을 위하여, 상기 담체는 150 ㎡/g 이상 또는 500 내지 1200 ㎡/g의 비표면적과, 10 내지 300 ㎚ 또는 20 내지 100 ㎚의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하다.The metal may be used in a non-supported state or in a supported state. When the metal is in a supported state, it may be supported on an inorganic carrier such as acetylene black, carbon-based support such as graphite, alumina or silica. When the metal is used in a supported state, the carrier preferably has a specific surface area of 150 m 2 / g or more, or 500-1200 m 2 / g, and an average of 10-300 nm or 20-100 nm It is preferable to have a particle size.

상기 전극 촉매층을 제조하는 방법의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 상기 금속, 바인더 및 용매를 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하고, 상기 촉매 슬러리를 도포하는 방법으로 제조될 수 있다. Examples of the method for producing the electrode catalyst layer are not limited to a wide range. For example, the method can be manufactured by mixing the metal, the binder and the solvent to prepare a catalyst slurry, and applying the catalyst slurry.

절연층Insulating layer

상기 연료 전지용 전극에 포함된 절연층은 상기 전극 촉매층의 적어도 일면에 형성되고, 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다.The insulating layer included in the electrode for a fuel cell may be formed on at least one surface of the electrode catalyst layer and may include an ion conductive polymer.

상기 절연층은 상기 전극 촉매층의 적어도 일면에 형성되어, 상기 라디칼 보호층과 전극 촉매층과의 분리를 목적으로 적층될 수 있다. The insulating layer may be formed on at least one surface of the electrode catalyst layer and may be stacked for the purpose of separating the electrode protection layer from the electrode protection layer.

상기 절연층이 형성되는 전극 촉매층의 적어도 일면이란, 상기 전극 촉매층의 상부표면 또는 하부표면 가운데 하나의 면을 의미하거나, 상부표면과 하부표면 모두를 포함할 수 있다. 구체적으로 하기 도1을 통해 예를 들면, 전극 촉매층(5) 상부 표면에 절연층(4)이 형성될 수 있다.At least one surface of the electrode catalyst layer in which the insulating layer is formed means one surface of the upper surface or the lower surface of the electrode catalyst layer or may include both the upper surface and the lower surface. Specifically, referring to FIG. 1, an insulating layer 4 may be formed on the upper surface of the electrode catalyst layer 5, for example.

상기 절연층은 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 상기 이온 전도성 고분자는 이온에 의해서 전하가 운반되는 성질을 갖는 고분자를 의미하며, 상기 이온전도성 고분자는 불소계 고분자 또는 탄화수소계 고분자를 포함할 수 있다. The insulating layer may include an ion conductive polymer. The ion conductive polymer means a polymer having charge transport properties by ions, and the ion conductive polymer may include a fluorinated polymer or a hydrocarbon polymer.

상기 불소계 고분자의 구체적인 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 과불소화 술폰산기 함유 고분자 또는 퍼플루오로계 양성자 전도성 고분자를 사용할 수 있다. The specific examples of the fluorine-based polymer are not particularly limited, and for example, a perfluoro sulfonic acid group-containing polymer or a perfluoro-type proton conductive polymer can be used.

또한, 상기 탄화수소계 고분자의 구체적인 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술폰화 폴리(에테르-케톤)계 고분자, 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합체 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.Although specific examples of the hydrocarbon-based polymer are not limited, examples thereof include sulfonated polysulfone copolymers, sulfonated poly (ether-ketone) based polymers, sulfonated polyether ether ketone based polymers, polyimide based polymers , A polystyrene-based polymer, a polysulfone-based polymer, a clay-sulfonated polysulfone nanocomposite, or a mixture of two or more thereof.

상기 라디칼 보호층에 포함된 이온 전도성 고분자 100 중량부에 대하여 상기 절연층에 포함된 이온 전도성 고분자의 함량이 300 중량부 내지 500 중량부, 또는 350 중량부 내지 400 중량부일 수 있다.The amount of the ion conductive polymer contained in the insulating layer may be 300 to 500 parts by weight or 350 to 400 parts by weight based on 100 parts by weight of the ion conductive polymer contained in the radical protection layer.

상기 절연층의 두께는 10 ㎚ 내지 2000 ㎚, 또는 50 ㎚ 내지 1500 ㎚일 수 있다. 상기 절연층의 두께가 2000 ㎚ 초과로 너무 두꺼워지면, 막-전극 접합체의 성능이 저하될 수 있고, 얇은 두께의 미세한 전극의 제조가 어려워질 수 있다. The thickness of the insulating layer may be 10 nm to 2000 nm, or 50 nm to 1500 nm. If the thickness of the insulating layer is too thick to be more than 2000 nm, the performance of the membrane-electrode assembly may deteriorate, and it may become difficult to manufacture a thin electrode having a small thickness.

보다 구체적으로, 상기 절연층 두께에 대한 상기 라디칼 보호층 두께 비율이 1 내지 10, 또는 1.1 내지 5, 또는 1.2 내지 3일 수 있다. 상기 절연층 두께에 대한 상기 라디칼 보호층 두께 비율이란 상기 라디칼 보호층 두께를 상기 절연층 두께로 나눈 값을 의미한다.More specifically, the ratio of the thickness of the radical protective layer to the thickness of the insulating layer may be 1 to 10, or 1.1 to 5, or 1.2 to 3. The ratio of the thickness of the radical protection layer to the thickness of the insulation layer means a value obtained by dividing the thickness of the radical protection layer by the thickness of the insulation layer.

라디칼 보호층Radical protection layer

상기 연료 전지용 전극에 포함된 라디칼 보호층은 상기 절연층 상에 형성되고, 적어도 1 이상의 금속 및 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다.The radical protection layer included in the electrode for a fuel cell may be formed on the insulating layer and may include at least one metal and an ion conductive polymer.

구체적으로, 상기 라디칼 보호층은 상기 전극 촉매층과 접하지 않는 절연층의 다른 일면 상에 형성될 수 있다. 즉, 상기 절연층의 일면에는 전극 촉매층이 형성되어 있고, 다른 일면에는 라디칼 보호층이 형성될 수 있다.Specifically, the radical protection layer may be formed on the other surface of the insulating layer not in contact with the electrode catalyst layer. That is, an electrode catalyst layer may be formed on one side of the insulating layer, and a radical protection layer may be formed on the other side of the insulating layer.

보다 구체적으로 상기 라디칼 보호층이 형성된 전극은, 하기 도1에 나타난 바와 같이, 전극 촉매층(5), 절연층(4), 라디칼 보호층(3) 순으로 적층된 3층 구조를 가질 수 있다.More specifically, the electrode having the above-described radical protection layer may have a three-layer structure in which the electrode catalyst layer 5, the insulating layer 4, and the radical protection layer 3 are stacked in this order as shown in FIG.

상기 라디칼 보호층은 연료 전지의 작동시 발생되는 라디칼을 효과적으로 제거하기 위하여, 적어도 1 이상의 금속을 포함할 수 있다. 상기 적어도 1 이상의 금속은 수소의 산화 및 산소의 환원 반응을 촉진시키는 촉매로서, 퍼옥시 라디칼 및 하이드로퍼옥시 라디칼을 물 및 산소로 분해하여 라디칼을 제거하는 역할을 수행할 수 있다.The radical protection layer may include at least one metal in order to effectively remove radicals generated during operation of the fuel cell. The at least one metal may catalyze the oxidation of hydrogen and the reduction of oxygen, and may decompose the peroxy radical and the hydroperoxy radical into water and oxygen to remove radicals.

상기 적어도 1 이상의 금속은 주기율표 3족 내지 13족에 속하는 금속원소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다. 즉, 상기 금속은 주기율표 3족 내지 12족에 속하는 전이금속(transition metal) 또는 주기율표 13족에 속하는 전이후 금속(post-transition metal)을 포함할 수 있다.The at least one metal may include at least one metal selected from the group consisting of metal elements belonging to group 3 to group 13 of the periodic table. That is, the metal may include a transition metal belonging to Group 3 to 12 of the periodic table or a post-transition metal belonging to Group 13 of Periodic Table.

보다 구체적으로, 상기 적어도 1 이상의 금속은 팔라듐(Palladium, Pd) 또는 팔라듐을 포함한 합금을 포함할 수 있다. 상기 팔라듐을 포함한 합금은 팔라듐 및 주기율표 3족 내지 13족에 속하는 금속원소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다. More specifically, the at least one metal may include an alloy including palladium (Pd) or palladium. The alloy containing palladium may include at least one metal selected from the group consisting of palladium and metal elements belonging to Group 3 to Group 13 of the periodic table.

상기 팔라듐 금속은 다른 금속에 비해 높은 수소 결합에너지를 가짐에 따라, 라디칼 또는 이온에 대한 보다 우수한 선택성을 나타낼 수 있다. 이에 따라, 상기 라디칼 보호층에 팔라듐 금속을 사용할 경우, 연료전지 구동중 발생되는 과산화 수소 및 라디칼의 생성을 억제하고. 발생된 라디칼을 제거하는 효과가 극대화될 수 있으며, 이를 통해 전극의 기체 투과도를 감소시키면서 내구성능을 향상시킬 수 있다.Since the palladium metal has a higher hydrogen bonding energy than other metals, it can exhibit better selectivity for radicals or ions. Accordingly, when palladium metal is used for the radical protection layer, generation of hydrogen peroxide and radicals generated during the operation of the fuel cell is suppressed. The effect of removing generated radicals can be maximized, thereby improving gas permeability and endurance performance of the electrode.

상기 팔라듐을 포함한 합금에서 팔라듐이외로 첨가되는 금속의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크로뮴(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브데넘(Mo), 아연(Zn) 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 팔라듐을 포함한 합금의 예로는 팔라듐-코발트 합금, 팔라듐-티타늄 합금, 팔라듐-망간 합금, 팔라듐-백금 합금, 팔라듐-니켈 합금 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.Examples of the metal added to the palladium-containing alloy other than palladium include, but are not limited to, platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), gallium (Ga), titanium (V), Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, The above mixture may be used. More specifically, examples of the alloy containing palladium include a palladium-cobalt alloy, a palladium-titanium alloy, a palladium-manganese alloy, a palladium-platinum alloy, a palladium-nickel alloy or a mixture thereof.

상기 라디칼 보호층은 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 상기 이온 전도성 고분자는 상기 금속을 포함한 라디칼 보호층이 보다 안정적으로 적층될 수 있도록 하는 바인더 역할을 수행할 수 있다. 이에 따라, 상기 라디칼 보호층에서는 상기 이온 전도성 고분자에 적어도 1종의 금속이 분산될 수 있다.The radical protection layer may include an ion conductive polymer. The ion conductive polymer may serve as a binder to stably stack the radical protection layer including the metal. Accordingly, at least one kind of metal may be dispersed in the ion conductive polymer in the radical protection layer.

구체적으로, 상기 금속은 표면에 이온 전도성 고분자가 접촉한 상태로 분산될 수 있다. 이는 상기 금속이 탄소지지체 등과 같은 담체에 담지되지 않은 상태에서 직접 사용되기 때문이다. 이처럼, 상기 금속이 담체에 담지되지 않고 직접 사용됨에 따라, 상기 금속의 활성 표면적이 증가하여, 상기 라디칼 보호층에 의한 라디칼 제거효율이 극대화될 수 있다. Specifically, the metal may be dispersed while the ion conductive polymer is in contact with the surface. This is because the metal is used directly without being supported on a carrier such as a carbon support or the like. As the metal is directly used without being supported on the support, the active surface area of the metal increases, and the radical removal efficiency by the radical protection layer can be maximized.

보다 구체적으로, 상기 라디칼 보호층에 포함된 금속 전체 표면적의 50%이상, 또는 50% 내지 100%가 이온 전도성 고분자와 접촉할 수 있다. 상기 이온 전도성 고분자와 접촉하는 금속의 표면에서는 금속에 의한 과산화 수소 및 라디칼 제거 작용이 활성을 나타낼 수 있다. 따라서 금속 전체 표면적의 50% 이상이 이온 전도성 고분자와 접촉할 경우, 상기 금속의 활성 표면적이 전체 표면적의 50% 이상으로 증가할 수 있다.More specifically, 50% or more, or 50% to 100% of the total surface area of the metal contained in the radical protection layer may be in contact with the ion conductive polymer. On the surface of the metal contacting the ion conductive polymer, hydrogen peroxide and radical scavenging activity by the metal may be exhibited. Thus, when more than 50% of the total surface area of the metal is in contact with the ion conductive polymer, the active surface area of the metal may increase to more than 50% of the total surface area.

반면, 상기 금속을 담체에 담지시켜 사용하는 종래의 기술과 같이, 금속 전체 표면적의 50% 미만이 이온 전도성 고분자와 접촉할 경우, 금속의 활성 표면적이 50% 미만으로 감소함에 따라, 라디칼 보호층에 의한 과산화 수소 및 라디칼 제거 효율이 감소하는 한계가 있다.On the other hand, when less than 50% of the total surface area of the metal is in contact with the ion conductive polymer as in the prior art in which the metal is supported on the carrier, the active surface area of the metal is reduced to less than 50% There is a limit in that the removal efficiency of hydrogen peroxide and radicals is reduced.

상기 이온 전도성 고분자는 이온에 의해서 전하가 운반되는 성질을 갖는 고분자를 의미하며, 상기 이온전도성 고분자는 불소계 고분자 또는 탄화수소계 고분자를 포함할 수 있다. The ion conductive polymer means a polymer having charge transport properties by ions, and the ion conductive polymer may include a fluorinated polymer or a hydrocarbon polymer.

상기 불소계 고분자의 구체적인 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 과불소화 술폰산기 함유 고분자 또는 퍼플루오로계 양성자 전도성 고분자를 사용할 수 있다. The specific examples of the fluorine-based polymer are not particularly limited, and for example, a perfluoro sulfonic acid group-containing polymer or a perfluoro-type proton conductive polymer can be used.

또한, 상기 탄화수소계 고분자의 구체적인 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술폰화 폴리(에테르-케톤)계 고분자, 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합체 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.Although specific examples of the hydrocarbon-based polymer are not limited, examples thereof include sulfonated polysulfone copolymers, sulfonated poly (ether-ketone) based polymers, sulfonated polyether ether ketone based polymers, polyimide based polymers , A polystyrene-based polymer, a polysulfone-based polymer, a clay-sulfonated polysulfone nanocomposite, or a mixture of two or more thereof.

상기 라디칼 보호층에 포함된 이온 전도성 고분자와 상술한 절연층에 포함된 이온 전도성 고분자는 서로 동일한 물질이거나 또는 상이한 물질일 수 있다. The ion conductive polymer contained in the radical protection layer and the ion conductive polymer included in the insulation layer may be the same material or different materials.

상기 라디칼 보호층은 이온 전도성 고분자 100 중량부에 대하여 적어도 1이상의 금속을 1 중량부 내지 20 중량부, 또는 3 중량부 내지 10 중량부, 또는 5 중량부 내지 10 중량부, 또는 5.5 중량부 내지 10 중량부로 포함할 수 있다. 상기 라디칼 보호층에서 이온 전도성 고분자에 대하여 지나치게 많은 금속이 첨가되는 경우, 상기 라디칼 보호층을 형성하기 위한 코팅 조성물의 안정성, 균일성이 감소하여 코팅성이 저하될 수 있다.The radical protection layer may contain at least one metal from 1 to 20 parts by weight, or from 3 to 10 parts by weight, or from 5 to 10 parts by weight, or from 5.5 to 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the ion conductive polymer. May be included in parts by weight. When too much metal is added to the ion conductive polymer in the radical protection layer, the stability and uniformity of the coating composition for forming the radical protection layer may be decreased, and the coating property may be deteriorated.

상기 라디칼 보호층의 두께는 10 ㎚ 내지 2000 ㎚, 또는 50 ㎚ 내지 1500 ㎚일 수 있다. 상기 라디칼 보호층의 두께가 2000 ㎚ 초과로 너무 두꺼워지면, 막-전극 접합체의 성능이 저하될 수 있고, 얇은 두께의 미세한 전극의 제조가 어려워질 수 있다.The thickness of the radical protection layer may be 10 nm to 2000 nm, or 50 nm to 1500 nm. If the thickness of the radical protective layer is too thick to be more than 2000 nm, the performance of the membrane-electrode assembly may deteriorate, and it may become difficult to produce a thin electrode having a small thickness.

연료전지용 전극 제조방법Method for manufacturing electrode for fuel cell

상기 연료전지용 전극을 제조하는 방법은 이온 전도성 고분자를 포함한 제1코팅 조성물을 전극 촉매층의 적어도 일면에 코팅하여 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 절연층 상에 적어도 1 이상의 금속 및 이온 전도성 고분자를 포함한 제2코팅 조성물을 코팅하여 라디칼 보호층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. The method for manufacturing an electrode for a fuel cell includes the steps of forming an insulating layer by coating a first coating composition containing an ion conductive polymer on at least one surface of an electrode catalyst layer; And coating a second coating composition containing at least one or more metal and ion conductive polymers on the insulating layer to form a radical protective layer.

상기 이온 전도성 고분자를 포함한 제1코팅 조성물을 전극 촉매층의 적어도 일면에 코팅하여 절연층을 형성하는 단계에서, 상기 제 1 코팅 조성물은 절연층을 형성하기 위한 조성물로서, 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다. In the step of coating the first coating composition containing the ion conductive polymer on at least one surface of the electrode catalyst layer to form an insulating layer, the first coating composition may include an ion conductive polymer as a composition for forming an insulating layer .

상기 제1 코팅 조성물은 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 용매는 수계 용매 또는 유기 용매를 포함할 수 있고, 통상적으로 널리 사용되는 수계 또는 유기 용매를 제한 없이 사용할 수 있으며, 구체적으로 후술하는 전해질 막의 제조시 사용한 용매와 동일한 것을 사용할 수 있다. The first coating composition may further comprise a solvent. The solvent may include an aqueous solvent or an organic solvent, and a commonly used aqueous or organic solvent may be used without limitation. Specifically, the same solvent as that used in the preparation of the electrolyte membrane described later may be used.

상기 제1 코팅 조성물을 제조하는 방법의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 상기 이온 전도성 고분자를 유기 용매 또는 수계 용매에 분산시키는 방법을 사용할 수 있다. Examples of the method for producing the first coating composition are not limited to a specific method. For example, a method of dispersing the ion conductive polymer in an organic solvent or an aqueous solvent may be used.

상기 제1코팅 조성물을 코팅하는 방법의 예 또한, 크게 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 스프레잉, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 디핑, 바 코팅, 캡 코팅, 나이프 코팅, 슬롯 다이 코팅, 그라비어 코팅 등의 공지된 다양한 방법을 통해 수행될 수 있다.Examples of the method of coating the first coating composition are also not limited to a specific one, and examples thereof include coating methods such as spraying, screen printing, inkjet printing, dipping, bar coating, cap coating, knife coating, slot die coating, ≪ / RTI >

상기 이온 전도성 고분자를 포함한 제1코팅 조성물을 전극 촉매층의 적어도 일면에 코팅하여 절연층을 형성하는 단계 이후에, 상기 코팅된 절연층을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 전극 촉매층 상에 상기 제1 코팅조성물의 코팅층과 제2코팅조성물의 코팅층을 순차로 형성시킨 후, 이들 코팅층을 함께 건조시킬 수도 있고, 상기 각 코팅층의 형성과 이에 대한 건조가 별도로 이루어질 수도 있다.The method may further include drying the coated insulating layer after coating the first coating composition containing the ion conductive polymer on at least one surface of the electrode catalyst layer to form an insulating layer. The coating layer of the first coating composition and the coating layer of the second coating composition may be sequentially formed on the electrode catalyst layer, and then the coating layers may be dried together. Alternatively, the coating layer may be formed and dried separately.

상기 건조단계의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 20 내지 100 ℃ 하에서 1 내지 24 시간 동안 수행되는 제 1 열처리 공정과, 120 내지 250 ℃ 하에서 0.5 내지 10 분 동안 수행되는 제 2 열처리 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 열처리 공정을 통해 코팅층에 포함된 잔류 용매가 충분히 제거될 수 있고, 상기 절연층이 상기 전극 촉매층에 보다 안정적으로 적층될 수 있다. 또한, 이온 전도성 고분자가 사용되는 경우 상기 복수의 열처리 공정을 통해 충분한 열경화가 이루어질 수 있다.For example, the first heat treatment step is performed at 20 to 100 ° C. for 1 to 24 hours, and the second heat treatment step is performed at 120 to 250 ° C. for 0.5 to 10 minutes. . The residual solvent contained in the coating layer can be sufficiently removed through the first and second heat treatment processes and the insulating layer can be stacked more stably on the electrode catalyst layer. In addition, when the ion conductive polymer is used, sufficient heat curing can be achieved through the plurality of heat treatment processes.

상기 절연층 상에 적어도 1 이상의 금속 및 이온 전도성 고분자를 포함한 제2코팅 조성물을 코팅하여 라디칼 보호층을 형성하는 단계에서, 상기 제2 코팅 조성물은 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 금속, 이온 전도성 고분자, 전극 촉매층, 라디칼 보호층에 대한 내용은 상기 일 구현예에서 상술한 내용을 포함할 수 있다.The second coating composition may further include a solvent in the step of forming a radical protection layer by coating a second coating composition containing at least one metal and an ion conductive polymer on the insulating layer. The metal, the ion conductive polymer, the electrode catalyst layer, and the radical protection layer may include the above-described contents in the embodiment.

상기 용매는 수계 용매 또는 유기 용매를 포함할 수 있고, 통상적으로 널리 사용되는 수계 또는 유기 용매를 제한 없이 사용할 수 있으며, 구체적으로 후술하는 전해질 막의 제조시 사용한 용매와 동일한 것을 사용할 수 있다. The solvent may include an aqueous solvent or an organic solvent, and a commonly used aqueous or organic solvent may be used without limitation. Specifically, the same solvent as that used in the preparation of the electrolyte membrane described later may be used.

상기 제2 코팅 조성물을 제조하는 방법의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 상기 적어도 1 이상의 금속 또는 이온 전도성 고분자를 유기 용매 또는 수계 용매에 분산시키는 방법을 사용할 수 있다. The method for preparing the second coating composition is not limited to a specific example. For example, a method of dispersing the at least one metal or ion conductive polymer in an organic solvent or an aqueous solvent may be used.

상기 제2코팅 조성물을 코팅하는 방법의 예 또한, 크게 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 스프레잉, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 디핑, 바 코팅, 캡 코팅, 나이프 코팅, 슬롯 다이 코팅, 그라비어 코팅 등의 공지된 다양한 방법을 통해 수행될 수 있다.Examples of the method of coating the second coating composition are also not limited to a specific one and may be applied by any method such as spraying, screen printing, inkjet printing, dipping, bar coating, cap coating, knife coating, slot die coating, gravure coating, ≪ / RTI >

상기 적어도 1 이상의 금속 및 이온 전도성 고분자를 포함한 제2코팅 조성물을 절연층 상에 코팅하여 라디칼 보호층을 형성하는 단계 이후에, 상기 코팅된 라디칼 보호층을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 전극 촉매층 상에 상기 제1 코팅조성물의 코팅층과 제2코팅조성물의 코팅층을 순차로 형성시킨 후, 이들 코팅층을 함께 건조시킬 수도 있고, 상기 각 코팅층의 형성과 이에 대한 건조가 별도로 이루어질 수도 있다.The step of coating the second coating composition containing the at least one metal and the ion conductive polymer on the insulating layer to form the radical protection layer may further include drying the coated radical protection layer. The coating layer of the first coating composition and the coating layer of the second coating composition may be sequentially formed on the electrode catalyst layer, and then the coating layers may be dried together. Alternatively, the coating layer may be formed and dried separately.

상기 건조단계의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 20 내지 100 ℃ 하에서 1 내지 24 시간 동안 수행되는 제 1 열처리 공정과, 120 내지 250 ℃ 하에서 0.5 내지 10 분 동안 수행되는 제 2 열처리 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 열처리 공정을 통해 코팅층에 포함된 잔류 용매가 충분히 제거될 수 있고, 상기 라디칼 보호층이 보다 안정적으로 적층될 수 있다. 또한, 이온 전도성 고분자가 사용되는 경우 상기 복수의 열처리 공정을 통해 충분한 열경화가 이루어질 수 있다.For example, the first heat treatment step is performed at 20 to 100 ° C. for 1 to 24 hours, and the second heat treatment step is performed at 120 to 250 ° C. for 0.5 to 10 minutes. . The residual solvent contained in the coating layer can be sufficiently removed through the first and second heat treatment processes, and the radical protection layer can be stacked more stably. In addition, when the ion conductive polymer is used, sufficient heat curing can be achieved through the plurality of heat treatment processes.

한편, 발명의 다른 구현예에 따르면, 전해질 막 및 상기 전해질 막의 양면에 구비된 2개의 전극을 포함하고, 상기 2개의 전극 중 적어도 하나 이상은 상기 일 구현예의 연료 전지용 전극을 포함하는 연료 전지용 막-전극 접합체가 제공될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell membrane-electrode assembly including an electrolyte membrane and two electrodes provided on both surfaces of the electrolyte membrane, wherein at least one of the two electrodes is a membrane- An electrode junction body may be provided.

상기 전해질 막은 전기 절연성과 이온 전도성을 갖는 고분자 막으로써, 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 상기 이온 전도성 고분자는 이온에 의해서 전하가 운반되는 성질을 갖는 고분자를 의미하며, 상기 이온전도성 고분자는 불소계 고분자 또는 탄화수소계 고분자를 포함할 수 있다. The electrolyte membrane is a polymer membrane having electrical insulation and ionic conductivity, and may include an ion conductive polymer. The ion conductive polymer means a polymer having charge transport properties by ions, and the ion conductive polymer may include a fluorinated polymer or a hydrocarbon polymer.

상기 불소계 고분자의 구체적인 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 과불소화 술폰산기 함유 고분자 또는 퍼플루오로계 양성자 전도성 고분자를 사용할 수 있다. The specific examples of the fluorine-based polymer are not particularly limited, and for example, a perfluoro sulfonic acid group-containing polymer or a perfluoro-type proton conductive polymer can be used.

또한, 상기 탄화수소계 고분자의 구체적인 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술폰화 폴리(에테르-케톤)계 고분자, 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합체 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.Although specific examples of the hydrocarbon-based polymer are not limited, examples thereof include sulfonated polysulfone copolymers, sulfonated poly (ether-ketone) based polymers, sulfonated polyether ether ketone based polymers, polyimide based polymers , A polystyrene-based polymer, a polysulfone-based polymer, a clay-sulfonated polysulfone nanocomposite, or a mixture of two or more thereof.

상기 전해질 막에 포함된 이온 전도성 고분자와 상기 일 구현예의 라디칼 보호층 또는 절연층에 포함된 이온 전도성 고분자는 서로 동일한 물질이거나 또는 상이한 물질일 수 있다. The ion conductive polymer contained in the electrolyte membrane and the ion conductive polymer included in the radical protective layer or the insulating layer of the embodiment may be the same material or different materials.

보다 구체적인 예로서는, 불소계 강화막(Aquivion® membrane)을 들 수 있다.A more specific example is a fluorine-based reinforcing membrane (Aquivion® membrane).

상기 전해질 막의 양면에는 2개의 전극을 포함할 수 있다. 상기 2 개의 전극(애노드와 캐소드)은 각각 전해질 막의 양면에 형성되어, 수소극 또는 공기극으로서의 역할을 수행할 수 있다. 상기 2 개의 전극 가운데 적어도 하나 이상은 상기 일 구현예의 연료 전지용 전극을 포함할 수 있다. 즉, 2개의 전극 중 어느 하나의 전극만이 상기 일 구현예의 연료전지용 전극이거나, 2개의 전극 모두가 상기 일 구현예의 연료전지용 전극일 수 있다.Two electrodes may be provided on both sides of the electrolyte membrane. The two electrodes (anode and cathode) are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, respectively, and can serve as a hydrogen electrode or an air electrode. At least one of the two electrodes may include the electrode for a fuel cell of the embodiment. That is, only one of the two electrodes may be the fuel cell electrode of the embodiment, or both electrodes may be the electrode of the fuel cell of the embodiment.

구체적으로, 상기 일 구현예의 연료전지용 전극을 사용할 경우에는, 하기 도2에 나타난 바와 같이, 전극 촉매층과 전해질 막 사이에 절연층 및 라디칼 보호층이 위치하도록 하는 것이 바람직하다. Specifically, when the electrode for a fuel cell according to one embodiment is used, as shown in FIG. 2, it is preferable that an insulating layer and a radical protection layer are positioned between the electrode catalyst layer and the electrolyte membrane.

상기 막-전극 접합체는 기체 확산층을 더 포함할 수 있다. 상기 기체 확산층은 상기 전극에 포함된 전극 촉매층을 지지하는 역할과 함께 전극 촉매층으로 반응 가스를 확산시켜 반응 효율을 향상시키는 역할을 한다. 상기 기체 확산층의 예로는 탄소 페이퍼 또는 탄소 천 등을 사용될 수 있으며, 바람직하게는 탄소 페이퍼 또는 탄소 천을 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소계 수지로 발수 처리한 것이 사용될 수 있다. 이처럼 발수 처리된 기체 확산층은 연료 전지의 구동시 발생하는 물에 의해 기체 확산층의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. The membrane-electrode assembly may further include a gas diffusion layer. The gas diffusion layer serves to support the electrode catalyst layer included in the electrode and diffuses the reaction gas into the electrode catalyst layer to improve the reaction efficiency. Examples of the gas diffusion layer include carbon paper or carbon cloth. Preferably, carbon paper or carbon cloth is treated with a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene. The water repellent gas diffusion layer can prevent the performance of the gas diffusion layer from being deteriorated by water generated when the fuel cell is driven.

또한, 상기 전극 촉매층과 기체 확산층의 사이에는 기체의 확산 효과를 더욱 증시키기 위한 미세다공층(microporous layer)이 추가로 포함될 수 있다. 상기 미세다공층은 탄소 분말, 카본 블랙, 활성 탄소, 아세틸렌 블랙 등의 전도성 물질, 폴리테트라플루로로에틸렌과 같은 바인더 및 이온 전도성 고분자를 포함하는 조성물을 도포하여 제조될 수 있다.Further, a microporous layer may be additionally provided between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer to further increase the diffusion effect of the gas. The microporous layer may be prepared by applying a composition containing a conductive material such as carbon powder, carbon black, activated carbon, and acetylene black, a binder such as polytetrafluoroethylene, and an ion conductive polymer.

또한, 상기 막-전극 접합체는 서브 가스켓을 더 포함할 수 있다. 상기 서브 가스켓은 전극 및 전해질 막을 보호하고, 연료전지의 조립시 핸들링상 용이성을 확보하기 위한 것으로서, 상기 전극 또는 전해질 막의 양면 테두리 영역에 접합될 수 있다. 상기 서브 가스켓의 구체적인 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 등의 고분자 필름을 사용할 수 있다.In addition, the membrane-electrode assembly may further include a sub gasket. The sub gasket serves to protect the electrodes and the electrolyte membrane and to ensure easiness in handling when assembling the fuel cell, and may be bonded to both edge regions of the electrode or the electrolyte membrane. A specific example of the sub gasket is not limited to a specific one. For example, a polymer film such as polyethylene (PE) or polyethylene naphthalate (PEN) can be used.

한편, 상기 막-전극 접합체를 제조하는 방법의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 2개의 전극(애노드와 캐소드) 사이에 전해질 막을 삽입하고 롤 프레스 또는 열간 압착법으로 압착하는 방법을 사용할 수 있다. 이때, 상기 롤 프레스 압착법은 0 내지 2000 psi의 압력, 50 내지 300 ℃의 온도, 및 0.1 내지 3 m/min의 이동 속도 하에서 수행될 수 있다. 그리고, 상기 열간 압착법은 500 내지 2000 psi의 압력, 50 내지 300 ℃의 온도, 및 1 내지 60 분의 가압 시간 하에서 수행될 수 있다.On the other hand, an example of a method for producing the membrane-electrode assembly is not limited to a specific one. For example, a method of inserting an electrolyte membrane between two electrodes (an anode and a cathode) and pressing them by a roll press or a hot- have. At this time, the roll press compression method may be performed at a pressure of 0 to 2000 psi, a temperature of 50 to 300 ° C, and a moving speed of 0.1 to 3 m / min. The hot pressing may be performed at a pressure of 500 to 2000 psi, a temperature of 50 to 300 DEG C, and a pressure time of 1 to 60 minutes.

한편, 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 다른 구현예의 연료 전지용 막-전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 제공된다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell including the membrane-electrode assembly for a fuel cell of another embodiment.

구체적으로, 상기 연료전지는 연료 전지용 막-전극 접합체를 포함할 수 있다. 상기 막-전극 접합체의 개수는 한정되지 않으며, 단독 또는 복수개를 포함할 수 있다.Specifically, the fuel cell may include a membrane-electrode junction body for a fuel cell. The number of the membrane-electrode assemblies is not limited and may include a single membrane or a plurality of membrane-electrode assemblies.

또한, 상기 연료전지는 상기 막-전극접합체의 양면에 분리판이 부가된 발전부를 포함할 수 있다. 상기 분리판은 막-전극 접합체의 양면에 각각 부착되며, 애노드에 부착되는 분리판을 애노드 분리판, 캐소드에 부착되는 분리판을 캐소드 분리판이라 한다. 상기 애노드 분리판은 애노드에 연료를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 애노드에서 발생한 전자를 외부 회로 또는 인접하는 단위전지로 전달하기 위한 전자 전도체의 역할을 한다. 상기 캐소드 분리판은 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 외부회로 또는 인접하는 단위전지로부터 공급된 전자를 캐소드로 전달하기 위한 전자 전도체의 역할을 한다. In addition, the fuel cell may include a power generation unit having a separator on both sides of the membrane-electrode assembly. The separator plate is attached to both sides of the membrane-electrode assembly, the separator plate attached to the anode is referred to as an anode separator plate, and the separator plate attached to the cathode is referred to as a cathode separator plate. The anode separator has a flow path for supplying fuel to the anode, and serves as an electron conductor for transferring electrons generated in the anode to an external circuit or an adjacent unit cell. The cathode separation plate has a flow path for supplying an oxidant to the cathode and serves as an electron conductor for transferring electrons supplied from an external circuit or an adjacent unit cell to the cathode.

또한, 상기 연료전지는 개질기, 연료 탱크 및 연료 펌프로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 개질기, 연료 탱크, 연료 펌프는 연료 전지 분야에서 널리 알려진 내용을 제한 없이 사용할 수 있다.The fuel cell may further include at least one selected from the group consisting of a reformer, a fuel tank, and a fuel pump. The reformer, the fuel tank, and the fuel pump can be used without limitation as is well known in the fuel cell field.

상기 연료 전지는 직접 메탄올 연료 전지일 수 있다. 그리고, 상기 연료 전지의 구성 및 출력 등은 그 용도에 따라 적절히 설계될 수 있다. 구체적으로 상기 연료전지의 용도의 예를 들면, 차량용(vehicle) 연료전지일 수 있다. 상기 차량은 자동차, 트럭 등의 운반용 차량, 굴삭기, 지게차 등의 기타 다른 용도의 차량 등 모든 용도의 차량을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 자동차의 On/Off, 급발진과 같은 단시간에 반복적인 전류가 변화가 요구되는 환경의 연료전지시스템에 사용될 수 있다.The fuel cell may be a direct methanol fuel cell. The configuration, output, etc. of the fuel cell can be appropriately designed according to its use. Specifically, the use of the fuel cell may be, for example, a vehicle fuel cell. The vehicle may include vehicles for all purposes, such as vehicles for transporting vehicles, trucks, vehicles for other purposes such as excavators, forklifts, and the like. More specifically, it can be used in a fuel cell system in an environment in which repeated currents are required to be changed in a short period of time, such as on / off of a vehicle or sudden emergence.

본 발명에 따르면, 전지 구동시 발생하는 라디칼을 효과적으로 제거하여 우수한 내구성을 갖는 연료 전지용 전극, 상기 전극을 이용하여 안정적인 성능을 구현할 수 있는 막-전극 접합체 및 연료 전지가 제공될 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide an electrode for a fuel cell having excellent durability by effectively removing radicals generated when a battery is driven, a membrane-electrode assembly capable of realizing stable performance using the electrode, and a fuel cell.

도 1은 실시예1에서 제조한 연료 전지용 전극의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2은 실시예1에서 제조한 연료 전지용 막-전극복합체의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
Fig. 1 schematically shows the structure of the electrode for a fuel cell manufactured in Example 1. Fig.
2 schematically shows the structure of a membrane-electrode assembly for a fuel cell manufactured in Example 1. [

발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. The invention will be described in more detail in the following examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

<실시예 : 막-전극 복합체의 제조>&Lt; Example: Preparation of membrane-electrode composite >

실시예1Example 1

a)라디칼 보호층 코팅용액의 제조 a) Preparation of radical protective layer coating solution

0.195g의 팔라듐 블랙이 함유된 3.25g(5% 분산수용액)의 이오노머(Aquivion® ionomer dispersion D83-24B) 용액에 증류수, 이소프로필알콜 및 1-프로필알콜을 1:1:1의 부피비로 첨가후 초음파진동 교반을 실시하여 라디칼 보호층 코팅용액을 제조하였다.After adding distilled water, isopropyl alcohol and 1-propyl alcohol in a volume ratio of 1: 1: 1 to a 3.25 g (5% dispersion aqueous solution) ionomer (Aquivion® ionomer dispersion D83-24B) solution containing 0.195 g of palladium black Followed by ultrasonic vibration stirring to prepare a radical protective layer coating solution.

b)절연층 코팅용액의 제조b) Preparation of insulating layer coating solution

12.6g(24% 분산수용액)의 이오노머(Aquivion® ionomer dispersion D83-24B) 용액에 증류수, 이소프로필알콜 및 1-프로필알콜을 1:1:1의 부피비로 첨가후 초음파진동 교반을 실시하여 절연층 이오노머 코팅용액을 제조하였다.Isopropyl alcohol and 1-propyl alcohol were added in a volume ratio of 1: 1: 1 to an ionomer (Aquivion (R) ionomer dispersion D83-24B) solution of 12.6 g (24% dispersion aqueous solution) Ionomer coating solution was prepared.

c)라디칼 보호층 및 절연층의 제조c) Preparation of radical protective layer and insulating layer

전극을 60℃ 건조판에 고정시킨 후, 상기 전극 상에 압축 스프레이를 이용해 상기 절연층 코팅용액을 분사하여 절연층을 코팅하였다. The electrodes were fixed on a dry plate at 60 DEG C, and then the insulating layer coating solution was sprayed on the electrodes using compression spray to coat the insulating layer.

또한, 상기 절연층 상에 압축 스프레이를 이용해 상기 라디칼 보호층 코팅용액을 분사하여 라디칼 보호층을 제조하였다. 이후, 80℃ 오븐에서 12시간동안 건조하였으며, 180℃ 오븐에서 열처리하여 두께가 800 ㎚인 절연층 및 두께가 1000 ㎚인 라디칼 보호층으로 코팅된 전극을 얻었다.The radical protective layer coating solution was sprayed onto the insulating layer using a compression spray to prepare a radical protective layer. Thereafter, the substrate was dried in an oven at 80 ° C. for 12 hours, and then heat treated in an oven at 180 ° C. to obtain an electrode coated with an insulating layer having a thickness of 800 nm and a protective layer having a thickness of 1000 nm.

d) 막-전극복합체의 제조d) Preparation of membrane-electrode complex

상기 라디칼 보호층 및 절연층이 코팅된 전극과 다른 전극 사이에 불소계 강화막(Aquivion® membrane)을 삽입한 후, 롤 프레스를 이용하여 열 압착하였다. 이때, 상기 라디칼 보호층 및 절연층이 코팅된 전극의 라디칼 보호층과 다른 전극 사이의 위치에 상기 불소계 강화막을 삽입하였다. 여기에 25 ㎠ 크기의 서브 가스켓을 겹친 후 롤 프레스를 이용한 열 압착을 통해 막-전극 복합체를 제조하였다.A fluorine-based reinforcing membrane (Aquivion® membrane) was inserted between the electrode coated with the radical protection layer and the insulating layer and the other electrode, followed by thermocompression using a roll press. At this time, the fluorine-based reinforcing membrane was inserted between the radical protection layer of the electrode coated with the radical protection layer and the insulation layer and the other electrode. A sub - gasket of 25 ㎠ in size was superimposed thereon, and then a membrane - electrode composite was manufactured by thermocompression using a roll press.

<비교예 : 막-전극 복합체의 제조>&Lt; Comparative Example: Preparation of membrane-electrode composite >

비교예1Comparative Example 1

라디칼 보호층 및 절연층이 형성되어 있지 않은 전극을 사용한 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 막-전극복합체를 제조하였다.A membrane-electrode composite was prepared in the same manner as in Example 1, except that an electrode on which a radical protection layer and an insulating layer were not formed was used.

비교예2Comparative Example 2

라디칼 보호층만 형성되고, 절연층이 형성되지 않은 전극을 사용한 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 막-전극복합체를 제조하였다.A membrane-electrode composite was prepared in the same manner as in Example 1, except that an electrode in which only a radical protective layer was formed and an insulating layer was not formed was used.

<실험예 : 실시예 및 비교예에서 얻어진 막-전극 복합체의 성능 측정><Experimental Example: Measurement of Performance of the Membrane-Electrode Composite Obtained in Examples and Comparative Examples>

실험예1 : 전지의 내구성 평가Experimental Example 1: Evaluation of durability of battery

실시예 및 비교예에서 얻어진 막-전극 복합체를 포함하는 단위 전지의 성능을 시험하기 위하여, 막-전극 복합체의 양면 각각에 기체 확산층(SGL 10BB, SGL Carbon Group)을 인접하게 배치하여 단위 전지들을 조립하였다.In order to test the performance of the unit cell including the membrane-electrode composite obtained in Examples and Comparative Examples, a gas diffusion layer (SGL 10BB, SGL Carbon Group) was disposed adjacent to both sides of the membrane- Respectively.

셀 온도 80℃, 수소극 및 공기극의 상대습도 50%, 대기압과 압력 차이 0 psig로 유지하고, 유량은 수소극과 공기극 각각에 0.11 L/분, 0.34 L/분을 유지하여 개회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)의 변화를 실시간으로 300시간 동안 측정하였다. 그리고 150시간 간격으로 셀온도 65℃, 상대습도 100%에서 3시간 동안 활성화 진행 후에 전류-전압을 평가하여 OCV, 성능 감소율을 확인하였고, 그 결과를 하기 표 1 에 나타내었다.The cell temperature was maintained at 80 ° C, the relative humidity of the hydrogen and air electrodes was 50%, the difference between the atmospheric pressure and the pressure was 0 psig, and the flow rate was maintained at 0.11 L / min and 0.34 L / Circuit Voltage, OCV) were measured for 300 hours in real time. Then, after the activation was carried out for three hours at a cell temperature of 65 ° C and a relative humidity of 100% at an interval of 150 hours, the current-voltage was evaluated to determine the OCV and the performance reduction rate. The results are shown in Table 1 below.

실시예 및 비교예의 막-전극 복합체를 이용한 전지의 내구성 평가 결과Evaluation results of durability of a battery using the membrane-electrode composite of Examples and Comparative Examples 구분division 초기 IV OCV (V)The initial IV OCV (V) 초기 IV 성능 (mA/㎠)Initial IV performance (mA / cm2) IV OCV 감소율 (uV/h)IV OCV reduction rate (uV / h) 성능 감소율
(uV/h @ 1.2A/㎠)
Performance reduction rate
(uV / h @ 1.2A / cm2)
실시예1Example 1 1.0051.005 12101210 4141 5353 비교예1Comparative Example 1 0.9750.975 12501250 143143 187187 비교예2Comparative Example 2 0.9930.993 12001200 9595 100100

상기 표 1 에 나타난 바와 같이, 라디칼 보호층 및 절연층이 모두 확보된 실시예 1의 OCV 감소율은 41 uV/h로, 라디칼 보호층 및 절연층이 모두 확보되지 않은 비교예 1의 143 uV/h 및 라디칼 보호층만 확보된 비교예 2의 95 uV/h 에 비해 매우 낮은 것을 확인할 수 있다. As shown in Table 1, the OCV reduction rate in Example 1 in which both the radical protection layer and the insulating layer were secured was 41 uV / h, and 143 uV / h in Comparative Example 1 in which both the radical protection layer and the insulating layer were not secured And 95 V / h of Comparative Example 2 in which only the radical protective layer was secured.

절연층이 확보된 막-전극복합체는 절연층이 존재하지 않는 막-전극복합체와 비교하였을 때, 전극층과 보호층의 촉매와의 전기적 접촉을 차단하여 라디칼 제거효과를 최대한 발휘할 수 있어 OCV 내구성이 향상될 수 있는 것을 확인하였다.The membrane-electrode composite with the insulating layer secured can prevent the electrode and the catalyst of the protective layer from electrical contact when compared with a membrane-electrode composite in which the insulating layer is not present, thereby maximizing the radical removal effect and improving the OCV durability .

또한, 상기 표1에서, 라디칼 보호층 및 절연층이 모두 확보된 실시예 1의 성능 감소율은 53 uV/h @ 1.2A/㎠로, 라디칼 보호층 및 절연층이 모두 확보되지 않은 비교예 1의 187 uV/h @ 1.2A/㎠ 및 라디칼 보호층만 확보된 비교예 2의 100 uV/h @ 1.2A/㎠ 에 비해 매우 낮은 것을 확인할 수 있다.In Table 1, the performance reduction ratio of Example 1 in which both the radical protective layer and the insulating layer were secured was 53 uV / h @ 1.2 A / cm 2, 187 uV / h @ 1.2 A / cm &lt; 2 &gt; and 100 uV / h @ 1.2 A / cm &lt; 2 &gt; of Comparative Example 2 in which only the radical protection layer is secured.

라디칼 보호층이 존재하지 않는 비교예1의 막-전극복합체는 성능시험에서 라디칼에 의한 막-전극복합체 저항의 증가로 인하여 OCV 성능 감소율이 크게 증가되는 것을 확인하였다. In the membrane-electrode composite of Comparative Example 1 in which no radical protection layer was present, it was confirmed that the OCV performance reduction rate was greatly increased due to the increase of the resistance of the membrane-electrode composite by the radical in the performance test.

이에 따라, 건조/가습 환경에서 라디칼 보호층 및 절연층이 모두 확보된 막-전극복합체는 종래의 막-전극복합체에 비해 전극의 물리적, 화학적 라디칼 내성을 증가시켜 OCV 성능 및 내구성이 향상됨을 확인하였다.Accordingly, the membrane-electrode composite in which both the radical protection layer and the insulation layer are secured in the drying / humidifying environment has increased physical and chemical resistance of the electrode compared to the conventional membrane-electrode composite, thereby improving OCV performance and durability .

1 - 전극 촉매층
2 - 이온 전도성 막
3 - 라디칼 보호층
4 - 절연층
5 - 전극 촉매층
1 - electrode catalyst layer
2-ion conductive membrane
3-radical protection layer
4 - insulating layer
5-electrode catalyst layer

Claims (12)

전극 촉매층;
상기 전극 촉매층의 적어도 일면에 형성되고, 이온 전도성 고분자를 포함한 절연층; 및
상기 절연층 상에 형성되고, 적어도 1 이상의 금속 및 이온 전도성 고분자를 포함한 라디칼 보호층;을 포함하고,
상기 라디칼 보호층에 포함된 금속은 표면에 이온 전도성 고분자가 접촉한 상태로 분산되는, 연료 전지용 전극.
An electrode catalyst layer;
An insulating layer formed on at least one surface of the electrode catalyst layer and including an ion conductive polymer; And
And a radical protection layer formed on the insulating layer and including at least one or more metal and ion conductive polymer,
Wherein the metal contained in the radical protection layer is dispersed while the ion conductive polymer is in contact with the surface of the electrode.
제1항에 있어서,
상기 라디칼 보호층에 포함된 금속은 전체 표면적의 50%이상이 이온 전도성 고분자와 접촉하는, 연료 전지용 전극.
The method according to claim 1,
Wherein at least 50% of the total surface area of the metal contained in the radical protection layer is in contact with the ion conductive polymer.
제1항에 있어서,
상기 라디칼 보호층에서 이온 전도성 고분자 100 중량부에 대하여 적어도 1 이상의 금속을 1 중량부 내지 20 중량부로 포함하는, 연료 전지용 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the radical protective layer comprises at least one metal in an amount of 1 part by weight to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the ion conductive polymer.
제1항에 있어서,
상기 적어도 1 이상의 금속은 주기율표 3족 내지 13족에 속하는 금속원소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는, 연료 전지용 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the at least one metal comprises at least one metal selected from the group consisting of metal elements belonging to groups 3 to 13 of the periodic table.
제1항에 있어서,
상기 적어도 1 이상의 금속은 팔라듐 또는 팔라듐을 포함한 합금을 포함하는, 연료 전지용 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the at least one metal comprises an alloy including palladium or palladium.
제5항에 있어서,
상기 팔라듐을 포함한 합금은 팔라듐 및 주기율표 3족 내지 13족에 속하는 금속원소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는, 연료 전지용 전극.
6. The method of claim 5,
Wherein the alloy containing palladium comprises at least one metal selected from the group consisting of palladium and metal elements belonging to groups 3 to 13 of the periodic table.
제1항에 있어서,
상기 절연층의 두께는 10 ㎚ 내지 2000 ㎚인, 연료 전지용 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the insulating layer has a thickness of 10 nm to 2000 nm.
제1항에 있어서,
상기 라디칼 보호층의 두께는 10 ㎚ 내지 2000 ㎚인, 연료 전지용 전극.
The method according to claim 1,
And the thickness of the radical protection layer is 10 nm to 2000 nm.
제1항에 있어서,
상기 절연층 두께에 대한 상기 라디칼 보호층 두께 비율이 1 내지 10인, 연료 전지용 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the ratio of the thickness of the radical protective layer to the thickness of the insulating layer is 1 to 10. [
제1항에 있어서,
상기 절연층에 포함된 이온 전도성 고분자는 불소계 고분자 또는 탄화수소계 고분자를 포함하는, 연료 전지용 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the ion conductive polymer contained in the insulating layer comprises a fluorine-based polymer or a hydrocarbon-based polymer.
전해질 막 및 상기 전해질 막의 양면에 구비된 2개의 전극을 포함하고,
상기 2개의 전극 중 적어도 하나 이상은 제1항의 연료 전지용 전극을 포함하는, 연료 전지용 막-전극 접합체.
An electrolyte membrane, and two electrodes provided on both surfaces of the electrolyte membrane,
Wherein at least one of the two electrodes comprises the electrode for a fuel cell according to claim 1.
제11항의 연료 전지용 막-전극 접합체를 포함하는, 연료 전지.12. A fuel cell comprising the membrane-electrode junction body for a fuel cell according to claim 11.
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