KR20200013993A - Membrane electrode assembly, fuel cell comprising the same and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR20200013993A KR1020180089325A KR20180089325A KR20200013993A KR 20200013993 A KR20200013993 A KR 20200013993A KR 1020180089325 A KR1020180089325 A KR 1020180089325A KR 20180089325 A KR20180089325 A KR 20180089325A KR 20200013993 A KR20200013993 A KR 20200013993A
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Abstract

The present invention relates to a membrane-electrode assembly, a fuel cell and a manufacturing method of the membrane-electrode assembly. The membrane-electrode assembly comprises an anode catalyst layer; a cathode catalyst layer; and a polymer electrolyte membrane. The durability of battery performance can be increased under low-humidity conditions and high-humidity conditions.

Description

막-전극 접합체, 연료 전지 및 막-전극 접합체의 제조방법{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY, FUEL CELL COMPRISING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Method for manufacturing membrane-electrode assembly, fuel cell and membrane-electrode assembly {MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY, FUEL CELL COMPRISING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 명세서는 막-전극 접합체, 연료 전지 및 막-전극 접합체의 제조방법에 관한 것이다.The present specification relates to a method of manufacturing a membrane-electrode assembly, a fuel cell and a membrane-electrode assembly.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.Recently, as the depletion 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 energy, fuel cells have been particularly noticed for their advantages such as high efficiency, no pollutants such as NOx and SOx, and abundant fuel used.

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

연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuels. Batteries (SOFC) and the like.

고분자 전해질 연료전지는 고가습에서 수소이온 전도도가 높아 성능이 높지만 저가습에서는 성능이 낮아지는 문제점을 가지고 있다. 이는 막의 수소이온 전도도 저감 및 막-전극 접합체 내 물 관리가 제대로 이루어지지 않았기 때문에 발생한다. The polymer electrolyte fuel cell has high hydrogen ion conductivity at high humidity and high performance, but has low performance at low humidity. This occurs because the membrane's hydrogen ion conductivity is reduced and water management in the membrane-electrode assembly is poor.

특히 불소계 막을 사용한 경우보다 탄화수소계 막을 사용하면 고가습과 저가습 사이의 성능 차이가 더욱 커진다. 이는 저가습에서 탄화수소계 막의 수소이온 전달 채널이 불소계에 비해 연속적으로 발달되지 않기 때문이다.In particular, the use of hydrocarbon-based membranes increases the performance difference between high humidification and low-humidity rather than fluorine-based membranes. This is because hydrogen ion transport channels of hydrocarbon membranes are not developed continuously in low humidity compared with fluorine series.

이를 해결 하기 위해 polyvinyl alcohol, zirconia, silica, hydrogel 등의 물질을 막이나 전극에 혼합한 기술들이 있지만 이 기술들은 저가습 성능은 향상 시키지만 고가습 성능을 낮추는 문제를 가지고 있다. In order to solve this problem, there are technologies in which polyvinyl alcohol, zirconia, silica, hydrogel, etc. are mixed in the membrane or electrode, but these techniques improve the low-humidity performance but have the problem of lowering the high-humidity performance .

대한민국 특허공개 제 2003-0045324 호 (2003.06.11 공개)Republic of Korea Patent Publication No. 2003-0045324 (2003.06.11 published)

본 명세서는 막-전극 접합체, 연료 전지 및 막-전극 접합체의 제조방법을 제공하고자 한다.The present specification is to provide a method for manufacturing a membrane-electrode assembly, a fuel cell and a membrane-electrode assembly.

본 명세서는 애노드 촉매층;The present specification is an anode catalyst layer;

1nm 이상 1,000 nm 이하의 평균 직경을 갖는 기능성 입자를 포함하는 캐소드 촉매층; 및 A cathode catalyst layer comprising functional particles having an average diameter of at least 1 nm and at most 1,000 nm; And

상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되는 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.It provides a membrane-electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.

또한, 본 명세서는 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공한다.In addition, the present disclosure provides a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

또한, 본 명세서는 애노드 촉매층을 준비하는 단계;In addition, the present specification comprises the steps of preparing an anode catalyst layer;

기능성 입자를 포함하는 촉매 잉크를 이용하여 캐소드 촉매층을 형성하는 단계; 및Forming a cathode catalyst layer using a catalyst ink comprising functional particles; And

상기 애노드 촉매층 및 상기 캐소드 촉매층 사이에 고분자 전해질막을 구비하는 단계를 포함하는 상기 막-전극 접합체의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing the membrane-electrode assembly comprising the step of providing a polymer electrolyte membrane between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer.

본 명세서에 따른 막-전극 접합체는 저가습 조건 및 고가습 조건에서 전지 성능의 내구성이 증가하는 장점이 있다.The membrane-electrode assembly according to the present specification has an advantage of increasing durability of battery performance under low humidity conditions and high humidity conditions.

도 1은 연료 전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 막-전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 연료 전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 발명의 비교예 및 실시예의 정전류 구동시 성능을 나타낸 도면이다.
1 is a schematic diagram showing the principle of electricity generation of a fuel cell.
2 is a view schematically showing the structure of a membrane-electrode assembly.
3 is a view schematically showing an embodiment of a fuel cell.
4 is a view showing the performance in the constant current driving of the comparative example and the embodiment of the invention.

이하, 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, this specification is demonstrated in detail.

본 명세서에 있어서, "또는" 이란 다른 정의가 없는 한, 나열된 것들을 선택적으로 또는 모두 포함하는 경우, 즉 "및/또는"의 의미를 나타낸다.In this specification, "or" means the meaning of "and / or" when it includes any or all of them listed, unless otherwise defined.

본 명세서에 있어서, "층"이란 해당 층이 존재하는 면적을 70% 이상 덮고 있는 것을 의미한다. 바람직하게는 75% 이상, 더 바람직하게는 80% 이상 덮고 있는 것을 의미한다.In the present specification, "layer" means covering 70% or more of the area in which the layer exists. It means preferably covering at least 75%, more preferably at least 80%.

본 명세서는 애노드 촉매층;The present specification is an anode catalyst layer;

1nm 이상 1,000 nm 이하의 평균 직경을 갖는 기능성 입자를 포함하는 캐소드 촉매층; 및 A cathode catalyst layer comprising functional particles having an average diameter of at least 1 nm and at most 1,000 nm; And

상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되는 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.It provides a membrane-electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.

상기 막-전극 접합체의 캐소드 촉매층은 특정 범위의 평균 직경을 갖는 기능성 입자를 포함하여, 저가습 조건 및 고가습 조건에서 전지 성능의 내구성이 증가하는 효과가 있다. 또한, 기능성 입자의 종류를 변경하거나, 기능성 입자의 표면을 표면 처리하여 상술한 효과를 증대시킬 수 있다. 비교예 1과 실시예 1 및 2를 비교하여 보면, 기능성 입자를 포함하지 않는 경우(비교예 1)에 비하여, 기능성 입자를 포함하는 경우(실시예 1 및 2)에 기능성 입자에 의한 함습 유지 능력이 탁월하여 막-전극 접합체(membrane electrode assembly: MEA)의 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.The cathode catalyst layer of the membrane-electrode assembly includes functional particles having a specific range of average diameters, thereby increasing durability of battery performance under low humidity conditions and high humidity conditions. In addition, the above-described effects can be increased by changing the type of the functional particles or by surface treating the surface of the functional particles. Comparing Comparative Example 1 and Examples 1 and 2, the moisture-containing retention ability of the functional particles in the case of containing the functional particles (Examples 1 and 2) compared to the case of not containing the functional particles (Comparative Example 1). The excellent performance of the membrane electrode assembly (membrane electrode assembly (MEA)) can be confirmed.

본 명세서에 있어서, 상기 기능성 입자는 함습 기능이 있는 "함습성 입자"로 명명될 수 있다.In the present specification, the functional particles may be referred to as "moisture particles" having a moisture function.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층은 각각 촉매 및 이오노머(ionomer)를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer may each include a catalyst and an ionomer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매는 연료 전지에서 촉매의 역할을 할 수 있다면 그 종류를 한정하지 않으나, 백금, 전이금속 및 백금-전이금속 합금 중 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the catalyst is not limited in kind as long as it can serve as a catalyst in a fuel cell, but may include one of platinum, transition metal and platinum-transition metal alloy.

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 a group 3 to 11 elements in the periodic table, and may be, for example, 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 used 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, but is not limited thereto. Does not.

상기 촉매들은 그 자체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.The catalysts can be used on their own as well as 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 carrier include graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, canyon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, carbon nanorings, carbon nanowires, One or a mixture of two or more selected from the group consisting of fullerene (C60) and Super P black may be a preferred example.

상기 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질막으로 이동하기 위한 통로를 제공하여 주는 역할을 한다.The ionomer plays a role of providing a passage for ions generated by the reaction between a fuel such as hydrogen or methanol and a catalyst to the electrolyte membrane.

상기 이오노머는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스폰산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 양이온 교환기를 갖는 고분자를 사용할 수 있다.The ionomer may be a polymer having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain.

상기 이오노머는 탄화수소계 고분자, 부분불소계 고분자 또는 불소계 고분자일 수 있다.The ionomer may be a hydrocarbon-based polymer, a partially fluorine-based polymer or a fluorine-based polymer.

상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리설폰계 고분자, 폴리에테르설폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택된 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다.The ionomer may be a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether It may include one or more hydrogen ion conductive polymer selected from ether ketone-based polymer, or polyphenylquinoxaline-based polymer.

상기 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층의 평균두께는 각각 독립적으로 5㎛ 이상 15㎛ 이하일 수 있다. 15㎛ 초과하는 경우 가스 투과에 문제가 되어 성능이 저하될 수 있으며, 5㎛ 미만인 경우 가스가 직접적으로 전해질 막에 닿아 단락(short-circuit)이 일어날 수 있다. 즉, 상기 수치 범위를 만족하는 경우 가스 투과성이 향상되면서도, 단락 현상을 방지할 수 있다.The average thickness of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer may be each independently 5㎛ 15㎛. If the thickness exceeds 15 μm, gas permeation may be a problem, and performance may be degraded. If the thickness is less than 5 μm, the gas may directly contact the electrolyte membrane, causing short-circuit. That is, when the numerical range is satisfied, the gas permeability may be improved, and a short circuit phenomenon may be prevented.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 캐소드 촉매층은 1nm 이상 1,000 nm 이하의 평균 직경을 갖는 기능성 입자를 포함한다.In one embodiment of the present specification, the cathode catalyst layer includes functional particles having an average diameter of 1 nm or more and 1,000 nm or less.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기능성 입자의 평균 직경은 1nm 이상 1,000nm 이하, 바람직하게는 10nm 이상 800nm 이하, 더욱 바람직하게는 10nm 이상 500nm 이하일 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 기능성 입자의 분산성이 개선되며, 상기 기능성 입자가 캐소드에서 생성된 물을 외부로 배출되지 않도록 잡아줌(catch)으로써, 단위 전지 내의 물의 농도가 높아져 저가습 조건에서 성능이 향상되는 효과가 있다.In one embodiment of the present specification, the average diameter of the functional particles may be 1 nm or more and 1,000 nm or less, preferably 10 nm or more and 800 nm or less, more preferably 10 nm or more and 500 nm or less. When the numerical range is satisfied, the dispersibility of the functional particles is improved, and the functional particles catch the water generated at the cathode so as not to be discharged to the outside. The performance is improved.

상기 기능성 입자의 평균 직경은 이 기술이 속하는 분야에서 일반적으로 사용되는 방법에 의하여 측정할 수 있으며, 예를 들어 동적 광 산란(Dynamic Light Scattering: DLS)방법에 의할 수 있다.The average diameter of the functional particles can be measured by a method generally used in the art, for example, by the Dynamic Light Scattering (DLS) method.

상기 기능성 입자의 "평균 직경"이란, 어느 하나의 기능성 입자의 직경을 2회 이상 측정한 값을 측정 횟수로 나누어 도출된 값일 수 있다. 또는, 2개 이상의 기능성 입자의 평균 직경을 각각 도출한 후, 이를 기능성 입자의 개수로 나누어 최종 도출된 값일 수 있다.The "average diameter" of the functional particles may be a value derived by dividing a value of measuring the diameter of any one functional particle by two or more times. Alternatively, after deriving the average diameter of the two or more functional particles, respectively, it may be a final derived value divided by the number of functional particles.

상기 기능성 입자의 평균 직경은, 기능성 입자를 표면 처리하는 분산제의 종류를 변경하거나, 표면처리 시간, 표면처리 시의 분산제 농도, 마이크로파 처리 등을 조절하여 변경할 수 있으며, 이에 대하여는 후술하기로 한다.The average diameter of the functional particles can be changed by changing the type of dispersant for surface treatment of the functional particles or by adjusting the surface treatment time, dispersant concentration during surface treatment, microwave treatment, and the like, which will be described later.

전해질막의 양성자 이온 전도도가 막-전극 접합체의 성능에 중요한 요소이고 이는 상대습도에 영향을 크게 받으므로, 상대습도는 상대습도에 따라 전해질막 양성자 이온전도도를 측정할 때, 전해질막 양성자 이온전도도의 변화폭이 큰 구간을 기준으로 구분했다.Since the proton ion conductivity of the electrolyte membrane is an important factor in the performance of the membrane-electrode assembly, and it is greatly influenced by the relative humidity, the relative humidity changes in the electrolyte membrane proton ion conductivity when measuring the electrolyte membrane proton ion conductivity according to the relative humidity. Based on this large interval.

구체적으로, 저가습 조건에서 습도 조건은 전지온도 70℃에서 측정된 상대습도를 의미하며, 본 명세서에서, 저가습 조건은 상대습도가 40% 초과 65% 이하인 경우이며, 극저가습 조건은 상대습도가 0% 이상 40% 이하인 경우를 의미한다. 후술하는 실험예 1에서는, 저가습 조건의 상대습도를 50%, 극저가습 조건의 상대습도를 32%로 설정하였다.Specifically, in the low humidity conditions, the humidity condition means a relative humidity measured at a battery temperature of 70 ° C., in the present specification, the low humidity conditions are more than 40% and 65% or less, and the ultra low humidity conditions are relative humidity. It means the case of 0% or more and 40% or less. In Experimental Example 1 described later, the relative humidity of the low-humidity condition was set to 50%, and the relative humidity of the ultra-low humidification condition was set to 32%.

연료전지의 반응물 가스는 물이 담긴 금속용기를 가열한 가습기(bubbler)를 통과하여 단위 전지까지 가스라인에서 응축되지 않도록 가습기(bubbler)의 세팅온도보다 가스라인의 온도를 약 10℃ 내지 30℃정도 높게 조절한다. 이때, 단위 전지의 상대 습도는 반응물 가스가 경유하게 되는 가습기내 물의 온도, 즉 이슬점 온도를 측정한 후 이를 단위 전지의 온도를 기준으로 상대습도 환산 관계식에 따라 계산된다.The reactant gas of the fuel cell passes through a bubbler that heats a metal container containing water, so that the temperature of the gas line is about 10 ° C. to 30 ° C. above the setting temperature of the humidifier so that the unit cell does not condense in the gas line. Adjust it high. In this case, the relative humidity of the unit cell is calculated according to the relative humidity conversion equation based on the temperature of the water in the humidifier through which the reactant gas, that is, the dew point temperature, is measured.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기능성 입자는 알루미늄산화물(Al2O3), 깁사이트(Al(OH)3) 및 보헤마이트(γ-AlO(OH))로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상일 수 있다. 바람직하게는 보헤마이트 입자를 포함할 수 있다. 상기 보헤마이트 입자는 Sasol사의 DISPAL 시리즈를 사용할 수도 있다.In one embodiment of the present specification, the functional particles are 1 or selected from the group consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), gibbsite (Al (OH) 3 ), and boehmite (γ-AlO (OH)). It may be two or more. It may preferably comprise boehmite particles. The boehmite particles may use the Sasol DISPAL series.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기능성 입자는 입자 표면에 수계 분산제, 유기계 분산제, 음이온성 분산제, 양이온성 분산제, 양쪽성 분산제 및 블록공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1 또는 2 이상의 분산제로 표면 처리된 표면처리층을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the functional particles are surface treated with one or two or more dispersants selected from the group consisting of an aqueous dispersant, an organic dispersant, an anionic dispersant, a cationic dispersant, an amphoteric dispersant, and a block copolymer on the particle surface. It may comprise a surface treatment layer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 분산제의 종류로는 BYKJET 9151, DISPERBYK 182, DISPERBYK 190, DISPERBYK194, DISPERBYK 2012, Pluronic P123, Pluronic F127, Pluronic F68 또는 Pluronic L92가 있고, 바람직하게는 Pluronic L92를 사용할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, a kind of the dispersant includes BYKJET 9151, DISPERBYK 182, DISPERBYK 190, DISPERBYK194, DISPERBYK 2012, Pluronic P123, Pluronic F127, Pluronic F68, or Pluronic L92, and preferably Pluronic L92 may be used. Can be.

상기 표면 처리를 하는 경우, 표면 처리되었을 때 기능성 입자의 크기가 충분히 작아져 기능성 입자 표면의 수산기(-OH) 그룹이 캐소드에서 생성된 물을 외부로 배출되지 않도록 잡아줌(catch)으로써, 저가습 조건에서도 단위 전지 내의 수분 농도를 높일 수 있다.In the case of the surface treatment, the size of the functional particles when the surface treatment is sufficiently small, so that the hydroxyl group (-OH) groups on the surface of the functional particles catch the water generated in the cathode from being discharged to the outside, Under the conditions, the moisture concentration in the unit cell can be increased.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면처리층의 두께는 1nm 이상 200nm 이하, 10nm 이상 180nm 이하, 바람직하게는 20nm 이상 160nm 이하일 수 있다. 상기 수치 범위를 만족할 때, 표면처리층이 기능성 입자 표면을 충분히 덮음으로써, 상술한 저가습 조건에서의 성능 향상 효과가 증대될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the thickness of the surface treatment layer may be 1 nm or more and 200 nm or less, 10 nm or more and 180 nm or less, preferably 20 nm or more and 160 nm or less. When the numerical range is satisfied, the surface treatment layer sufficiently covers the surface of the functional particles, whereby the effect of improving the performance in the low-humidity conditions described above can be increased.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 캐소드 촉매층은 촉매를 포함하고, 상기 기능성 입자의 함량은 촉매의 총 중량을 기준으로, 0.01 중량% 이상 7 중량% 이하, 0.01 중량% 이상 5 중량% 이하, 1 중량% 이상 3 중량%이하, 또는 2 중량% 이상 3 중량% 이하일 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 촉매층 내의 기능성 입자의 함량이 충분히 확보됨으로써, 저가습 조건에서도 높은 전류밀도를 얻을 수 있다.In one embodiment of the present specification, the cathode catalyst layer includes a catalyst, and the content of the functional particles is 0.01 wt% or more and 7 wt% or less, 0.01 wt% or more and 5 wt% or less, based on the total weight of the catalyst, 1 wt% or more and 3 wt% or less, or 2 wt% or more and 3 wt% or less. When the numerical range is satisfied, the content of the functional particles in the catalyst layer is sufficiently secured, so that a high current density can be obtained even under low humidity conditions.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 캐소드 촉매층의 부피를 기준으로 상기 기능성 입자의 부피는 0.1 vol% 이상 10 vol% 이하, 0.2 vol% 이상 5 vol%, 또는 0.3 vol% 이상 3 vol%이하일 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 촉매층 내의 기능성 입자의 함량이 충분히 확보됨으로써, 저가습 조건에서도 높은 전류밀도를 얻을 수 있다.In one embodiment of the present specification, the volume of the functional particles may be 0.1 vol% or more and 10 vol% or less, 0.2 vol% or more and 5 vol%, or 0.3 vol% or more and 3 vol% or less based on the volume of the cathode catalyst layer. have. When the numerical range is satisfied, the content of the functional particles in the catalyst layer is sufficiently secured, so that a high current density can be obtained even under low humidity conditions.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기능성 입자의 평균 직경은 상기 캐소드 촉매층의 두께 방향으로 구배(profile)를 갖는 것일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the average diameter of the functional particles may have a profile in the thickness direction of the cathode catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 막-전극 접합체는 상기 캐소드 촉매층의 상기 고분자 전해질막이 구비된 면의 반대면에 구비된 캐소드 기체확산층; 및 상기 애노드 촉매층의 상기 고분자 전해질막이 구비된 면의 반대면에 구비된 애노드 기체확산층을 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the membrane-electrode assembly includes a cathode gas diffusion layer provided on an opposite surface of the cathode catalyst layer on which the polymer electrolyte membrane is provided; And an anode gas diffusion layer provided on an opposite side of the surface of the anode catalyst layer on which the polymer electrolyte membrane is provided.

본 명세서에 있어서, 기체확산층은 상술한 캐소드 기체확산층 및 애노드 기체확산층을 통칭하는 의미일 수 있다.In the present specification, the gas diffusion layer may mean the cathode gas diffusion layer and the anode gas diffusion layer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 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.In an exemplary embodiment of the present specification, 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 become a passage for the reaction gas and water, and have a porous structure. Therefore, the gas diffusion layer may include a conductive substrate.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 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.In one embodiment of the present specification, the conductive substrate may be a conventional material known in the art, for example, carbon paper, carbon cloth, or carbon felt. ) May be preferably used, but is not limited thereto.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기체확산층의 평균두께는 100㎛ 이상 500㎛ 이하일 수 있다. 이 경우 기체확산층을 통한 반응물가스 전달 저항 최소화와 기체확산층 내 적정수분 함유 관점에서 최적의 상태가 되는 장점이 있다.In one embodiment of the present specification, the average thickness of the gas diffusion layer may be 100 μm or more and 500 μm or less. In this case, there is an advantage of minimizing the reactant gas transfer resistance through the gas diffusion layer and an optimum state in view of the proper moisture content in the gas diffusion layer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되며, 상기 고분자 전해질막에 포함된 고분자는 이온 전도성 고분자일 수 있다. In one embodiment of the present specification, the polymer electrolyte membrane is provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, the polymer included in the polymer electrolyte membrane may be an ion conductive polymer.

상기 이온 전도성 고분자는 탄화수소계 고분자, 부분불소계 고분자 또는 불소계 고분자일 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 전해질막은 탄화수소계 고분자 전해질막 또는 불소계 고분자 전해질막일 수 있으며, 바람직하게는 상기 전해질막은 탄화수소계 고분자 전해질막일 수 있다.The ion conductive polymer may be a hydrocarbon-based polymer, a partial fluorine-based polymer or a fluorine-based polymer. Specifically, the polymer electrolyte membrane may be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane or a fluorine-based polymer electrolyte membrane, preferably, the electrolyte membrane may be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane.

상기 탄화수소계 고분자는 플루오린기가 없는 탄화수소계 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있으며, 반대로 불소계 고분자는 플루오린기로 포화된 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있고, 상기 부분불소계 고분자는 플루오린기로 포화되지 않은 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있다.The hydrocarbon-based polymer may be a hydrocarbon-based sulfonated polymer without a fluorine group, on the contrary, the fluorine-based polymer may be a sulfonated polymer saturated with a fluorine group, and the partial fluorine-based polymer may not be saturated with a fluorine group. Sulfonated polymer.

상기 이온 전도성 고분자는 퍼플루오르술폰산계 고분자, 탄화수소계 고분자, 방향족 설폰계 고분자, 방향족 케톤계 고분자, 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자, 폴리에테르설폰계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리페닐렌옥사이드계 고분자, 폴리포스파젠계 고분자, 폴리에틸렌나프탈레이트계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 도핑된 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 폴리설폰계 고분자, 폴리피롤계 고분자 및 폴리아닐린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 고분자일 수 있다. 상기 고분자는 술폰화(sulfonated)하여 사용될 수 있으며, 단일 공중합체, 교대 공중합체, 랜덤 공중합체, 블록 공중합체, 멀티블록 공중합체 또는 그라프트 공중합체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The ion conductive polymer may be a perfluorosulfonic acid polymer, a hydrocarbon polymer, an aromatic sulfone polymer, an aromatic ketone polymer, a polybenzimidazole polymer, a polystyrene polymer, a polyester polymer, a polyimide polymer, polyvinylidene fluoride Ride type polymer, polyether sulfone type polymer, polyphenylene sulfide type polymer, polyphenylene oxide type polymer, polyphosphazene type polymer, polyethylene naphthalate type polymer, polyester type polymer, doped polybenzimidazole type polymer, It may be one or two or more polymers selected from the group consisting of a polyether ketone polymer, a polyether ether ketone polymer, a polyphenylquinoxaline polymer, a polysulfone polymer, a polypyrrole polymer and a polyaniline polymer. The polymer may be used by sulfonated and may be a single copolymer, an alternating copolymer, a random copolymer, a block copolymer, a multiblock copolymer or a graft copolymer, but is not limited thereto.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 탄화수소계 고분자인 것이 바람직하며, 상기 친수성 블록과 소수성 블록을 포함하는 블록형 공중합체인 탄화수소계 고분자일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the polymer electrolyte membrane is preferably a hydrocarbon-based polymer, and may be a hydrocarbon-based polymer that is a block copolymer including the hydrophilic block and the hydrophobic block.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 평균두께는 1㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the average thickness of the polymer electrolyte membrane may be 1 μm or more and 100 μm or less.

본 명세서는 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공한다.The present specification provides a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

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 illustrates the principle of electricity generation of a fuel cell. In the fuel cell, the most basic unit for generating electricity is a membrane-electrode assembly (MEA), which is an electrolyte membrane (M) and the electrolyte membrane (M). It is composed of an anode (A) and a cathode (C) formed on both sides of. Referring to FIG. 1, which illustrates the electricity generation principle of a fuel cell, in the anode A, an oxidation reaction of a fuel F such as hydrogen or a hydrocarbon such as methanol and butane occurs to generate hydrogen ions (H + ) and electrons (e ). Is generated, and hydrogen ions move to the cathode C through the electrolyte membrane M. The cathode C reacts with hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane M, an oxidizing agent O such as oxygen, and electrons to generate water W. This reaction causes the movement of electrons in the external circuit.

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.As shown in FIG. 2, the membrane-electrode assembly may include an electrolyte membrane 10 and a cathode 50 and an anode 51 positioned to face each other with the electrolyte membrane 10 interposed therebetween. In detail, 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 sequentially provided from the electrolyte membrane 10. It may include a gas diffusion layer (31).

도 3은 연료 전지의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료 전지는 스택(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.3 schematically illustrates the structure of a fuel cell, in which the fuel cell includes a stack 60, an oxidant supply unit 70, and a fuel supply unit 80.

연료전지 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 fuel cell stack 60 includes one or two or more membrane-electrode assemblies described above, and includes two or more separators interposed therebetween when two or more membrane-electrode assemblies are included. The separator prevents the membrane-electrode assemblies from being electrically connected and delivers fuel and oxidant supplied from the outside to the membrane-electrode assembly.

산화제 공급부(70)는 산화제를 연료전지 스택(60)으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프로 주입하여 사용할 수 있다.The oxidant supply unit 70 serves to supply the oxidant to the fuel cell stack 60. Oxygen is typically used as the oxidizing agent, and may be used by injecting oxygen or air into a pump.

연료 공급부(80)는 연료를 연료전지 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 supplies fuel to the fuel cell stack 60, and a fuel tank 81 storing fuel and a pump 82 supplying fuel stored in the fuel tank 81 to the stack 60. It can be composed of). As fuel, hydrogen or hydrocarbon fuel in gas or liquid state may be used. Examples of hydrocarbon fuels include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 명세서는 애노드 촉매층을 준비하는 단계;The present specification comprises the steps of preparing an anode catalyst layer;

기능성 입자를 포함하는 촉매 잉크를 이용하여 캐소드 촉매층을 형성하는 단계; 및Forming a cathode catalyst layer using a catalyst ink comprising functional particles; And

상기 애노드 촉매층 및 상기 캐소드 촉매층 사이에 고분자 전해질막을 구비하는 단계를 포함하는 상술한 막-전극 접합체의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a membrane-electrode assembly comprising the step of providing a polymer electrolyte membrane between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 애노드 촉매층 및 상기 캐소드 촉매층 사이에 고분자 전해질막을 구비하는 단계는 상기 고분자 전해질막의 일면에 캐소드 촉매층을 형성하는 단계; 및 상기 고분자 전해질막의 타면에 애노드 촉매층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, providing a polymer electrolyte membrane between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer comprises: forming a cathode catalyst layer on one surface of the polymer electrolyte membrane; And forming an anode catalyst layer on the other surface of the polymer electrolyte membrane.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 고분자 전해질막용 조성물로 순수한 막을 형성하거나, 다공성 기재에 고분자 전해질막용 조성물을 함침하여 강화막을 형성하거나, 1 이상의 순수한 막과 1이상의 강화막을 포함하는 복합막을 형성할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane composition for forming a pure membrane, or impregnated with a polymer electrolyte membrane composition on a porous substrate to form a reinforcing membrane, or a composite comprising at least one pure membrane and at least one reinforcing membrane A film can be formed.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 애노드 촉매층 및 상기 캐소드 촉매층 사이에 고분자 전해질막을 구비하는 단계는 촉매 잉크를 고분자 전해질막에 직접적으로 코팅하거나, 이형성 기재에 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질막에 열 압착하고 이형성 기재를 제거하여 형성하거나, 기체확산층에 코팅하여 촉매층을 형성하고 촉매층이 구비된 기체확산층과 고분자 전해질막의 조립으로 인해 촉매층을 도입할 수 있다. In one embodiment of the present specification, the step of providing a polymer electrolyte membrane between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is directly coated on the polymer electrolyte membrane, or a catalyst layer formed on a releasable substrate, and then heat on the polymer electrolyte membrane. The catalyst layer may be introduced by forming the catalyst layer by compressing and removing the releasable substrate or by coating the gas diffusion layer to form a catalyst layer and the gas diffusion layer having the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane.

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.At this time, the coating method of 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.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 캐소드 촉매층을 형성하는 단계 전에 상기 기능성 입자의 표면을 수계 분산제, 유기계 분산제, 음이온성 분산제, 양이온성 분산제, 양쪽성 분산제 및 블록공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1 또는 2 이상의 분산제로 표면 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 분산제에 대한 설명은 상술한 바와 같다.In an exemplary embodiment of the present specification, the surface of the functional particles is selected from the group consisting of an aqueous dispersant, an organic dispersant, an anionic dispersant, a cationic dispersant, an amphoteric dispersant and a block copolymer before the forming of the cathode catalyst layer. Or surface treatment with two or more dispersants. The description of the dispersant is as described above.

상기 기능성 입자를 표면 처리하는 단계는 기능성 입자를 용매에 분산시키는 단계; 상기 기능성 입자의 표면을 분산제로 표면 처리하는 단계; 표면처리된 기능성 입자를 세척하는 단계; 및 건조하는 단계를 포함할 수 있다.Surface treatment of the functional particles may include dispersing the functional particles in a solvent; Surface treating the surface of the functional particles with a dispersant; Washing the surface treated functional particles; And drying.

상기 기능성 입자의 표면을 분산제로 표면 처리하는 단계는 기능성 입자의 -OH 관능기와 분산제의 친수 부분과 관능기가 서로 반응하는 것일 수 있다. 예를 들어, 분산제로 사용된 Pluronic의 분자식을 화학식 1에 나타냈다. Surface treatment of the surface of the functional particles with a dispersant may be a reaction of the -OH functional group of the functional particles with the hydrophilic portion and the functional group of the dispersant. For example, the molecular formula of Pluronic used as a dispersant is shown in Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

분자량 및 체인 길이에 따라 여러 종류가 있다. P123의 경우 x=20, y=70, x=20 이며 L92의 경우 x=15, y=37, x=15로 분자량이 P123보다 작다.There are several types depending on molecular weight and chain length. In the case of P123, x = 20, y = 70, x = 20, and in the case of L92, x = 15, y = 37, x = 15 and the molecular weight is smaller than P123.

상기 화학식의 양 옆의 폴리에틸렌 그룹은 친수 성질을 가진 블록이고, 가운데의 폴리프로필렌 그룹은 소수 성질을 가진 블록이다. 이 분산제와 기능성 입자를 혼합하면 분산제의 친수 부분인 폴리에틸렌 부분이 기능성 입자의 -OH 그룹과 흡착하면서 분산이 된다. 분산제의 종류 및 농도에 따라 입자 사이즈가 달라질 수 있다.Polyethylene groups on either side of the formula are hydrophilic blocks, and polypropylene groups in the middle are hydrophobic blocks. When the dispersant and the functional particles are mixed, the polyethylene portion, which is the hydrophilic portion of the dispersant, is dispersed while adsorbing with the -OH group of the functional particles. The particle size may vary depending on the type and concentration of the dispersant.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기능성 입자를 표면 처리하는 단계는 10분 내지 2시간, 바람직하게는 30분 내지 2시간 동안 수행될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the surface treatment of the functional particles may be performed for 10 minutes to 2 hours, preferably 30 minutes to 2 hours.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 분산제의 함량은 촉매의 총 중량 기준으로 15 중량% 내지 300 중량%, 바람직하게는 20 중량% 내지 250 중량%, 더욱 바람직하게는 30 중량% 내지 200 중량%일 수 있다. 상기 수치 범위를 만족할 때, 기능성 입자의 분산성이 향상되는 효과가 있다.In one embodiment of the present specification, the content of the dispersant is 15 wt% to 300 wt%, preferably 20 wt% to 250 wt%, more preferably 30 wt% to 200 wt%, based on the total weight of the catalyst. Can be. When the numerical range is satisfied, the dispersibility of the functional particles is improved.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기능성 입자를 표면 처리하는 단계는 마이크로파 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, surface treating the functional particles may further include microwave treating.

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 specification will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are merely to illustrate the present specification, but not to limit the present specification.

[실시예]EXAMPLE

[실시예 1]Example 1

3M 825 불소계 이오노머를 1-프로판올(1-propanol)과 글리세롤(glycerol)을 함께 혼합했다. 이 후 Pluronic L92로 표면 처리된 보헤마이트(촉매 총 중량 대비 1wt%)를 혼합된 용액에 첨가한 후 1시간 동안 초음파 분산을 진행했다. 30분간 2℃로 저온 유지시킨 후, 용액에 카본 블랙에 백금(Pt)가 담지된 촉매(TEC10V50E Tanaka사 제조)를 이오노머(I, Ionomer)와 카본(C, Carbon)의 질량비율(I/C)을 0.6에 맞추어 첨가했다. 1시간 동안 초음파 분산 후 전극 슬러리를 완성했다. 준비된 전극 슬러리를 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 필름 위에 닥터 블레이드를 이용하여 캐스팅한 후 35℃에서 30분 동안, 140℃에서 30분 동안 건조하여 최종적으로 촉매층을 제조했다.3M 825 fluorine ionomer was mixed with 1-propanol and glycerol. Thereafter, boehmite (1 wt% of the total weight of the catalyst) surface-treated with Pluronic L92 was added to the mixed solution, followed by ultrasonic dispersion for 1 hour. After keeping at low temperature at 2 ° C. for 30 minutes, the catalyst (Pt 10V50E Tanaka Co., Ltd.) supported by platinum (Pt) on carbon black was added to the solution. The mass ratio (I / C) of ionomer (I, Ionomer) and carbon (C, Carbon) ) Was added at 0.6. The electrode slurry was completed after ultrasonic dispersion for 1 hour. The prepared electrode slurry was cast on a PTFE (Polytetrafluoroethylene) film using a doctor blade, and then dried at 35 ° C. for 30 minutes and at 140 ° C. for 30 minutes to finally prepare a catalyst layer.

[실시예 2]Example 2

보헤마이트의 함량을 촉매 대비 3wt%로 첨가한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 전극 촉매층을 제조했다.An electrode catalyst layer was prepared in the same manner as in Example 1 except that the content of boehmite was added at 3 wt% based on the catalyst.

[비교예 1]Comparative Example 1

보헤마이트를 첨가하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 전극 촉매층을 제조했다.Except not adding boehmite, an electrode catalyst layer was prepared in the same manner as in Example 1.

[실험예 1]Experimental Example 1

막-전극 접합체(MEA)를 제조하기 위하여, 이온전도성 고분자막으로는 술폰화된 폴리아릴렌에테르케톤 공중합체 고분자막, 애노드로는 보헤마이트가 혼합되지 않은 Pt/C 촉매층을 이용하였다. 실시예 1, 2 및 비교예 1의 촉매층을 캐소드로 하고, 상기 애노드 사이에 술폰화된 폴리아릴렌에테르케톤막을 두고 열 압착하여 막-전극 접합체를 제조하였다.In order to manufacture a membrane-electrode assembly (MEA), a sulfonated polyarylene ether ketone copolymer polymer membrane was used as the ion conductive polymer membrane and a Pt / C catalyst layer having no boehmite mixed as the anode. The catalyst layers of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 were used as cathodes, and the membrane-electrode assembly was prepared by thermally compressing the sulfonated polyarylene ether ketone membrane between the anodes.

실시예 1, 2 및 비교예 1의 단위전지에 대한 성능은 나라셀의 PEMFC station 장비를 이용하였으며 정전류 모드로 I-V 성능을 측정했다. 구체적으로, 0 내지 1,500 mA/cm2 범위를 100 mA/cm2 스텝으로 스캔하여 측정하였으며, 0.6V에서의 mA/cm2 값으로 성능을 비교 했다. 단위 전지의 온도는 70℃, 상대습도는 50%, 32% RH 조건으로 운전하여 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.The performance of the unit cells of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 was used with Nara Cell's PEMFC station equipment and IV performance was measured in the constant current mode. Specifically, the 0 to 1,500 mA / cm 2 was measured by scanning the range to 100 mA / cm 2 steps, compared the performance of mA / cm 2 in value of 0.6V. The unit cell temperature was measured at 70 ° C., relative humidity at 50% and 32% RH. The results are shown in Table 1 below.

또한 실시예 1, 2 및 비교예 1 의 단위전지에 대한 저가습 조건에서 보헤마이트 함습 능력이 성능에 미치는 영향을 알아 보기 위해 애노드 100% RH, 캐소드 0% RH로 연료를 주입 하면서 800 mA/cm2의 정전류 조건으로 단위 전지의 전압 변화를 관찰하여 결과를 도 4에 나타내었다. In addition, 800 mA / cm while injecting fuel at 100% RH anode and 0% RH cathode to investigate the effect of boehmite moisture infiltration capacity on low-humidity conditions for unit cells of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 The voltage change of the unit cell was observed under the constant current condition of 2 , and the results are shown in FIG. 4.

아래 표 1과 같이 비교예 1에 비해 실시예 1과 실시예 2의 함습 유지 특성이 높은 것을 알 수 있고 그 중에서도 실시예 2로 제조한 MEA성능이 가장 오래 유지 되는 것을 확인 할 수 있었다. As shown in Table 1 below, it can be seen that the moisture retention characteristics of Examples 1 and 2 were higher than those of Comparative Example 1, and among them, the MEA performance prepared in Example 2 was maintained for the longest time.

MEAMEA 습도 조건Humidity conditions 성능(@0.6V) (mA/cm2)Performance (@ 0.6V) (mA / cm 2 ) 비교예 1Comparative Example 1 50%50% 915.8915.8 32%32% 531.2531.2 실시예 1Example 1 50%50% 930.7930.7 32%32% 585.8585.8 실시예 2Example 2 50%50% 1042.31042.3 32%32% 637.6637.6

10: 전해질막
20: 캐소드 촉매층
21: 애노드 촉매층
30: 캐소드 기체확산층
31: 애노드 기체확산층
50: 캐소드
51: 애노드
60: 스택
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료탱크
82: 펌프
10: electrolyte membrane
20: cathode catalyst layer
21: anode catalyst layer
30: cathode gas diffusion layer
31: anode gas diffusion layer
50: cathode
51: anode
60: stack
70: oxidant supply
80: fuel supply
81: fuel tank
82: pump

Claims (9)

애노드 촉매층;
1nm 이상 1,000 nm 이하의 평균 직경을 갖는 기능성 입자를 포함하는 캐소드 촉매층; 및
상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되는 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체.
Anode catalyst layer;
A cathode catalyst layer comprising functional particles having an average diameter of at least 1 nm and at most 1,000 nm; And
Membrane-electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.
청구항 1에 있어서, 상기 기능성 입자는 알루미늄산화물(Al2O3), 깁사이트(Al(OH)3) 및 보헤마이트(γ-AlO(OH))로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상인 것인 막-전극 접합체.The method according to claim 1, wherein the functional particles are one or two or more selected from the group consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), Gibbsite (Al (OH) 3 ) and boehmite (γ-AlO (OH)). Membrane-electrode assembly. 청구항 1에 있어서, 상기 기능성 입자는 입자 표면에 수계 분산제, 유기계 분산제, 음이온성 분산제, 양이온성 분산제, 양쪽성 분산제 및 블록공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1 또는 2 이상의 분산제로 표면 처리된 표면처리층을 포함하는 것인 막-전극 접합체.The surface treatment layer of claim 1, wherein the functional particles are surface-treated with one or two or more dispersants selected from the group consisting of an aqueous dispersant, an organic dispersant, an anionic dispersant, a cationic dispersant, an amphoteric dispersant, and a block copolymer on the surface of the particle. Membrane-electrode assembly comprising a. 청구항 3에 있어서, 상기 표면처리층의 두께는 1nm 이상 200nm 이하인 것인 막-전극 접합체.The film-electrode assembly according to claim 3, wherein the thickness of the surface treatment layer is 1 nm or more and 200 nm or less. 청구항 1에 있어서, 상기 캐소드 촉매층은 촉매를 포함하고, 상기 기능성 입자의 함량은 촉매의 총 중량을 기준으로, 0.01중량% 이상 7중량% 이하인 것인 막-전극 접합체.The membrane-electrode assembly of claim 1, wherein the cathode catalyst layer comprises a catalyst, and the content of the functional particles is 0.01 wt% or more and 7 wt% or less based on the total weight of the catalyst. 청구항 1에 있어서, 상기 캐소드 촉매층의 부피를 기준으로 상기 기능성 입자의 부피비는 0.1 vol% 이상 10 vol% 이하인 것인 막-전극 접합체.The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the volume ratio of the functional particles is 0.1 vol% or more and 10 vol% or less based on the volume of the cathode catalyst layer. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항의 막-전극 접합체를 포함하는 연료 전지.A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly of claim 1. 애노드 촉매층을 준비하는 단계;
기능성 입자를 포함하는 촉매 잉크를 이용하여 캐소드 촉매층을 형성하는 단계; 및
상기 애노드 촉매층 및 상기 캐소드 촉매층 사이에 고분자 전해질막을 구비하는 단계를 포함하는 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 따른 막-전극 접합체의 제조방법.
Preparing an anode catalyst layer;
Forming a cathode catalyst layer using a catalyst ink comprising functional particles; And
The method of manufacturing a membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 6, comprising providing a polymer electrolyte membrane between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer.
청구항 8에 있어서, 상기 캐소드 촉매층을 형성하는 단계 전에 상기 기능성 입자의 표면을 수계 분산제, 유기계 분산제, 음이온성 분산제, 양이온성 분산제, 양쪽성 분산제 및 블록공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1 또는 2 이상의 분산제로 표면 처리하는 단계를 더 포함하는 것인 막-전극 접합체의 제조방법.The method of claim 8, wherein the surface of the functional particles before the step of forming the cathode catalyst layer is one or two or more dispersants selected from the group consisting of an aqueous dispersant, an organic dispersant, an anionic dispersant, a cationic dispersant, an amphoteric dispersant and a block copolymer The method of manufacturing a membrane-electrode assembly further comprising the step of surface treatment.
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