KR20210132342A - 막-전극 접합체용 전극 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 기재를 포함하는 전극, 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로써, 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법은 전극 내 출력에 따라 위치별로 전류밀도 분포가 달라지는 것을 반영하여 상기 위치에 따라 금속촉매의 로딩량 그라데이션(gradation)을 적용하였는 바, 금속촉매를 효율적으로 사용할 수 있으므로 금속촉매 사용량 절감에 의한 비용절감이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체는 다공성 기재를 포함하는 전극을 포함하고 있으므로, 열압착 조건 선정이 용이한 바, 공정 효율이 향상될 뿐 아니라, 다공성 기재는 소수성이고 기존 전극에 비해 전극 내 기공 크기가 줄어들지 않으므로 플러딩이 개선될 수 있어, 운전 영역이 다양해질 수 있다. 또한, 다공성 기재를 포함하는 전극은 전극 유실을 최소한으로 줄일 수 있으므로, 전극 내구성이 개선될 수 있다.

Description

막-전극 접합체용 전극 및 이의 제조방법{Membrane-electrode assembly electrode and manufacturing method thereof}
본 발명은 금속촉매의 로딩량을 다르게 하기 위해, 두께방향 단면 기준으로 서로 두께가 다른 제1 영역 및 제2 영역을 갖는 다공성 기재를 포함하는 막-전극 접합체용 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지의 원료인 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 정점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목 받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 직접 산화형 연료 전지(DOFC: Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우를 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료 가스인 수소를 생산하기 위하여 탄화 수소계 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 도 1에 도시한 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 접합체는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화 전극'이라고도 함)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원 전극"이라고도 함)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 먼저 상기 세퍼레이터를 통하여 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 연료극인 애노드 전극에 공급한다. 애노드 전극에 공급된 연료는 촉매에 흡착된 후 산화되어 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로를 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 세퍼레이터를 통하여 캐소드 전극으로 공급된 산화제와 상기 수소 이온 및 전자가 촉매 상에서 반응하여 열과 물을 생성하면서 동시에 전기를 발생시키게 된다.
다만, 도 1에 도시한 막-전극 접합체 제조 시, 전극 내 지지층이 없어 물리적 강성이 약하다는 문제점이 있다. 다시 말하면, 데칼방식으로 전극을 코팅한 뒤 열압착할 경우 전극 내 기공크기가 줄어드는 문제가 발생할 수 있어 플러딩의 원인이 될 수 있다. 또한, 전극 내 지지층 부재로 인해 막-전극 접합체 운전 시간에 따라 전극 두께가 줄어드는 현상이 발생하여 전극 유실이 발생할 수 있다. 이 또한 전극 기공구조가 붕괴될 수 있어 플러딩의 원인이 될 수 있다.
따라서, 플러딩의 원인을 줄이면서도 전극의 반응 영역에 따라 금속촉매의 로딩량을 달리하여 효율적으로 막-전극 접합체용 전극 및 이의 제조방법이 필요한 실정이었다.
일본공개공보 2006-147425
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 구체적인 목적은 다음과 같다.
본 발명은 플러딩의 원인을 줄이기 위해, 소수성 다공성 기재를 갖는 막-전극 접합체용 전극의 제조방법, 상기 제조방법에 따라 제조된 막-전극 접합체용 전극 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 출력에 따라 위치별로 전류밀도 분포가 달라지므로 상기 위치에 따른 촉매의 로딩량을 다르게 하기 위해, 두께방향 단면 기준으로 서로 두께가 다른 제1 영역 및 제2 영역을 갖는 다공성 기재를 포함하는 전극, 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체용 전극은 기공을 포함하는 다공성 기재; 및 상기 다공성 기재에 함침된 전극 물질을 포함하고, 상기 다공성 기재의 두께 방향의 단면 중 일부 영역은 다른 영역에 비해 두께가 다르고, 상기 다공성 기재의 두께 방향의 단면 중 일부 영역은 다른 영역에 비해 전극 밀도가 다르다.
상기 다공성 기재의 두께 방향의 단면은 서로 두께가 다른 제1 영역; 및 제2 영역을 포함할 수 있고, 상기 제1 영역의 두께는 제2 영역의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 제1 영역에 함침된 전극 물질 내 촉매 로딩량은 상기 제2 영역에 함침된 전극 물질 내 촉매 로딩량보다 많을 수 있다.
상기 제1 영역에 함침된 전극 물질 내 촉매 로딩량은 0.5~1.0mg/cm2이고, 상기 제2 영역에 함침된 전극 물질 내 촉매 로딩량은 0.05~0.5mg/cm2 일 수 있다.
상기 제1 영역에서 제2 영역으로 향하여 연결되는 부분이 직각 또는 경사지게 연결될 수 있다.
상기 제1 영역의 두께는 5~10μm이고, 상기 제2 영역의 두께는 2~5μm일 수 있다.
상기 다공성 기재는 일면은 평탄하고, 타면은 상기 제1 영역 및 제2 영역의 형상에 따라 굴곡질 수 있다.
상기 다공성 기재는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(Ethylene/Tetrafluoroethylene(ETFE)), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 폴리이미드, 폴리에스테르, 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 기공의 크기는 0.8~5.0μm일 수 있다.
상기 제1 영역의 기공률은 50~80%이고, 상기 제2 영역의 기공률은 10~50%일 수 있다.
상기 제1 영역의 전극 밀도는 제2 영역의 전극 밀도보다 높을 수 있다.
상기 제 제1 영역의 전극 밀도는 0.20~0.35mg/cm2이고, 상기 제2 영역의 전극 밀도는 0.05~0.20mg/cm2일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 막-전극 접합체용 전극의 제조방법은 다공성 기재를 준비하는 단계; 상기 다공성 기재를 프레스 금형으로 압착하여, 두께 방향의 단면 기준으로 서로 두께가 다른 제1 영역, 및 제2 영역을 포함하는 다공성 기재를 형성시키는 단계; 및 상기 다공성 기재 상에 전극 슬러리를 함침시키는 단계를 포함한다.
상기 제1 영역에서 제2 영역으로 향하여 연결되는 부분이 직각 또는 경사지게 연결될 수 있다.
상기 프레스 금형은 상기 제1 영역에서 제2 영역의 형상에 따라 맞물리는 돌출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지는 전해질막과, 상기 전해질막 양면에 위치한 제1항의 막-전극 접합체용 전극을 포함하는 막-전극 접합체; 및 상기 막-전극 접합체와 접하는 중심부 및 상기 중심부를 제외한 가장자리부를 포함하는 서브가스켓;을 포함하고, 상기 가장자리부는 공기유입부 및 수소유입부를 포함하고, 상기 막-전극 접합체용 전극은 두께 방향의 단면 기준으로 제2 영역보다 두께가 두꺼운 제1 영역을 포함하는 다공성 기재를 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 서브가스켓의 가장자리부 중 공기유입부 및 수소유입부에 대응하여 위치한다.
본 발명에 따른 막-전극 접합체용 전극의 제조방법은 전극 내 출력에 따라 위치별로 전류밀도 분포가 달라지는 것을 반영하여 상기 위치에 따라 촉매의 로딩량 그라데이션(gradation)을 적용하였는 바, 촉매를 효율적으로 사용할 수 있으므로 금속촉매 사용량 절감에 의한 비용절감이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 막-전극 접합체용 전극은 두께방향 단면 기준으로 서로 두께가 다른 제1 영역 및 제2 영역을 갖는 다공성 기재를 포함하고 있으므로, 열압착 조건 선정이 용이한 바, 공정 효율이 향상될 뿐 아니라, 다공성 기재는 소수성이고 기존 전극에 비해 전극 내 기공 크기가 줄어들지 않으므로 플러딩이 개선될 수 있어, 운전 영역이 다양해질 수 있다. 또한, 다공성 기재를 포함하는 전극은 전극 유실을 최소한으로 줄일 수 있으므로, 전극 내구성이 개선될 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 기존의 막-전극 접합체 제조과정을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따라 제조된 막-전극 접합체용 전극(10)의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 막-전극 접합체용 전극의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 흐름도에 따라 다공성 기재, 프레스 금형, 및 그에 따라 전극슬러리가 함침되는 과정을 나타낸 도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 서브가스켓과 막-전극 접합체가 접합되어 위치한 사시도, 도 5b는 상기 접합되어 위치한 평면도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
막-전극 접합체용 전극
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 막-전극 접합체용 전극(10)의 단면도이다. 이를 참조하면, 기공을 포함하는 다공성 기재(11) 및 상기 다공성 기재에 함침된 전극 물질(12)를 포함하고, 상기 다공성 기재의 두께 방향의 단면 중 일부 영역은 다른 영역에 비해 두께가 다르고, 전극 밀도도 다를 수 있다. 바람직하게는, 상기 다공성 기재의 두께 방향의 단면은 서로 두께가 다른 제1 영역(111) 및 제2 영역(115)를 포함한다. 이에 따라, 상기 다공성 기재는 일면은 평탄하고, 타면은 상기 제1 영역 및 제2 영역의 형상에 따라 굴곡진 것을 포함한다.
상기 막-전극 접합체용 전극은 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 전극, 예를캐소드 들어, 전극 또는 애노드 전극일 수 있고, 특정 전극으로 한정되지 아니한다.
이때, 상기 막-전극 접합체용 전극은 기공을 포함하는 다공성 기재(11); 및 상기 다공성 기재의 기공에 함침되고, 촉매를 포함하는 전극 물질(12);을 포함할 수 있다. 또한, 상기 다공성 기재는 두께 방향의 단면 중 일부 영역은 다른 영역에 비해 두께가 다르고, 전극 밀도도 다를 수 있다. 바람직하게는, 상기 다공성 기재의 두께 방향의 단면은 서로 두께가 다른 제1 영역 및 제2 영역을 포함할 수 있으므로, 상기 제1 영역 및 제2 영역에 함침된 전극 물질로 인한 전극 밀도는 서로 다를 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 영역의 전극 밀도는 제2 영역의 전극 밀도보다 높을 수 있다. 상기 전극 밀도는 제1 영역 또는 제2 영역의 단위 체적 당 포함되는 전극 물질의 양을 의미하며, 바람직하게는 상기 제1 영역의 전극 밀도는 0.20~0.35mg/cm2이고, 상기 제2 영역의 전극 밀도는 0.05~0.20mg/cm2일 수 있다. 제1 영역의 전극의 밀도가 0.200g/cm2 미만이면 백금 로딩량을 충분히 확보할 수 없는 단점이 있고, 0.35mg/cm2를 초과하면 백금 로딩량이 과도해지며, 기체연료가 충분히 투과되지 못하고, 생성수의 배출이 용이하지 못하는 단점이 있다. 또한, 제2 영역의 전극 밀도가 0.05mg/cm2 미만이면 충분한 백금 로딩량 확보가 어렵고, 물리적인 강성을 확보하기 어려운 단점이 있고, 0.20mg/cm2를 초과하면 백금 로딩량이 과도해지며, 기체연료 공급이 어려운 단점이 있다. 이에, 상기 전극 밀도에 따라 상기 전극 물질 내 촉매의 함량을 상기 제1 영역 및 제2 영역에 따라 서로 다르게 적용할 수 있으므로, 금속촉매를 효율적으로 사용할 수 있으므로 금속촉매 사용량 절감에 의한 비용절감이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체는 형상을 갖는 다공성 기재를 포함하는 전극을 포함하고 있으므로, 열압착 조건 선정이 용이한 바, 공정 효율이 향상될 뿐 아니라, 다공성 기재는 소수성이고 기존 전극에 비해 전극 내 기공 크기가 줄어들지 않으므로 플러딩이 개선될 수 있어, 운전 영역이 다양해질 수 있다.
본 발명에 따른 다공성 기재는 기공이 포함된 소수성 강화층으로써 충분한 연신을 통해 풍부하게 기공을 확보할 수 있으면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 다공성 기재는 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 공지된 소수성 강화층, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(EthyleneTetrafluoroEthylene; ETFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 폴리이미드, 폴리에스테르, 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 성분을 포함하는 것으로 제한하지 아니하나, 바람직하게는, 소수성과 다공성이 뛰어나고, 형태의 변형이 용이한 PTFE를 포함할 수 있다.
상기 다공성 기재에 포함되는 기공은 프레스 금형으로 압착 공정을 거친 후에도 충분히 기공이 유지될 수 있도록 크기가 충분히 큰 상태로 할 수 있고, 바람직하게는 상기 기공의 크기는 0.8~5.0μm일 수 있다. 상기 기공의 크기가 0.8μm 미만이면 전극 슬러리의 함침이 어려운 점, 및 전극으로서 충분한 기공의 확보가 어려운 단점이 있고, 10μm를 초과하면 전극 슬러리가 투과되어 함침이 어려운 점, 및 물리적인 물성을 확보하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 상기 기공 크기를 포함한 제1 영역의 기공률은 50~80%이고, 상기 제2 영역의 기공률은 10~50%일 수 있다. 제1 영역의 기공률이 50% 미만이면 낮은 기공으로 인해 함침할 수 있는 영역이 부족해지는 문제점이 있고, 80%를 초과하면 기재의 강성이 매우 낮아지는 문제점이 있다. 또한, 제2 영역의 기공률이 10% 미만이면 함침이 잘 되지 못하는 문제점이 있고, 50%를 초과하면 낮은 로딩을 확보해야 하는 영역임을 고려했을 때, 기공률이 너무 높아 충분한 함침이 어려운 문제점이 있다.
상기 다공성 기재는 촉매의 로딩량을 다르게 하기 위해 두께 방향의 단면 중 일부 영역은 다른 영역에 비해 두께가 다를 수 있고, 바람직하게는, 두께 방향의 단면은 서로 두께가 다른 제1 영역; 및 제2 영역을 포함할 수 있으며, 더 바람직하게는, 두께방향 단면 기준으로 서로 두께가 다른 제1 영역 및 제2 영역을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 영역에서 제2 영역으로 향하여 연결되는 부분이 본 발명에서 사용될 수 있는 통상 연결구조로 연결될 수 있다. 예를 들어, 직각 또는 경사지게 연결될 수 있고, 구체적으로, 상기 제1 영역에서 제2 영역으로 향하여 연결되는 부분이 직각으로 연결, 직선으로 경사지게 연결, 또는 곡선으로 경사지게 연결될 수 있고, 특정 연결구조로 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 제1 영역은 막-전극 접합체 운전 시 전류를 인가할 때 보다 상대적으로 높은 전류인 고전류에 노출되는 부분으로써 금속 촉매의 로딩량을 높이기 위해 두께가 두꺼울 수 있다. 반면, 상기 제2 영역은 막-전극 접합체 운전 시 전류를 인가할 때 보다 상대적으로 낮은 전류인 저전류에 노출되는 부분으로써 금속 촉매의 로딩량을 상대적으로 줄이기 위해 두께가 얇을 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 영역의 두께는 5~10μm 일 수 있다. 상기 제1 영역의 두께가 5μm 미만이면 촉매 로딩량을 충분히 높일 수 없는 단점이 있고, 두께가 10μm를 초과하면 두께로 인한 물질 전달 저항이 발생 할 수 있고 제2 영역과의 과도한 높이차이로 전해질막과의 접합이 어려울 수 있는 문제점이 있다. 한편, 상기 제2 영역의 두께는 2~5μm일 수 있다. 상기 제2 영역의 두께가 2μm 미만이면 충분한 기공확보가 불가하고, 물리적인 강성을 확보하기 어려운 문제점이 있고, 두께가 5μm를 초과하면 촉매 로딩량을 낮게 함침시키기 어려운 문제점이 있다. 또한, 상기 전극 물질 내 촉매의 로딩량은 다공성 기재에 포함되어 있는 기공에 함침되는 단위면적당 촉매의 양을 의미하고, 이 때, 상기 촉매의 양은 담지체를 제외한 순수 촉매 금속의 양일 수 있다. 바람직하게는, 상기 전극 물질 내 촉매의 로딩량은 0.05~1.0mg/cm2 일 수 있다. 한편, 제1 영역에 함침된 전극 물질 내 촉매 로딩량은 제2 영역에 함침된 전극 물질 내 촉매 로딩량보다 많을 수 있고, 바람직하게는 제1 영역에 함침된 전극 물질 내 촉매 로딩량은 0.5~1.0mg/cm2 일 수 있고, 제2 영역에 함침된 전극 물질 내 촉매 로딩량은 0.05~0.5mg/cm2 일 수 있다.
다만, 로딩량은 상기 고전류/저전류 기준으로 정해질 뿐만 아니라, 막-전극 접합체의 형상 및 유로의 형상에 따라 노출되는 위치에 따라 복합적인 요소를 통해 정해질 수도 있고, 또한, 그 밖의 필요에 의해 보다 상세하게 제1 영역의 형태에 따른 두께 범위를 통해 그라데이션될 수 있다. 즉, 본 발명은 전극 내 출력에 따라 위치별로 전류밀도 분포가 달라지는 것을 반영하여 상기 위치에 따라 촉매의 로딩량 그라데이션(gradation)을 적용하였는 바, 촉매를 효율적으로 사용할 수 있으므로 금속 촉매 사용량 절감에 의한 비용절감이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 다공성 기재에 함침되는 전극 물질 내 촉매는 연료의 산화 및 산화제의 환원 반응에 참여하여, 촉매로 사용이 가능한 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에 따라 전극 물질 내 포함되는 촉매는 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 공지된 촉매, 예를 들어, 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
또한, 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 상기 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지하는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.
상기 전극은 촉매의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. 상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 고분자와 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 전극은 도전재를 더 포함할 수 있다. 상기 도전재는 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 도전재, 예를 들어, 카본블랙(Carbon black), 전도성 흑연(Conducting graphite), 에틸렌 블랙(Ethylene black), 그래핀(Graphene) 등일 수 있고, 특정 성분으로 제한되지 않는다.
막-전극 접합체용 전극의 제조방법
도 3는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 막-전극 접합체용 전극의 제조방법을 도시한 흐름도이다. 이를 참조하면, 다공성 기재를 준비하는 단계(S10), 상기 다공성 기재를 프레스 금형으로 압착하여, 두께 방향의 단면 기준으로 서로 두께가 다른 제1 영역, 및 제2 영역을 포함하는 다공성 기재를 형성시키는 단계(S20), 및 상기 다공성 기재 상에 전극 슬러리를 함침시키는 단계(S30)를 포함한다.
상기 다공성 기재를 준비하는 단계(S10)는, 도 4를 참고하면, 다공성 기재는 기공이 포함된 소수성 강화층으로써 충분한 연신을 통해 풍부하게 기공을 확보할 수 있으면 특별히 제한되지 않는다. 구체적인 다공성 기재에 포함된 성분, 두께가 다른 제1 영역 및 제2 영역과 관련된 사항은 상기 기재된 사항과 다르거나 동일할 수 있다.
제1 영역, 및 제2 영역을 포함하는 다공성 기재를 형성시키는 단계(S20)는, 도 4를 참고하면, 프레스 금형은 다공성 기재에 제1 영역 및 제2 영역을 형성시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 이러한 프레스 금형은 금속일 수 있으며, 이 경우 산 처리에 의한 에칭처리법, 애노다이징, 일정 패턴을 갖는 플라스틱 기재를 사용한 압연처리법, 플라즈마 처리법, 샌드페이퍼링법(sand papering) 또는 샌드블라스팅법(sand blasting) 등을 사용하여 제1 영역 및 제2 영역을 형성시킬 수 있도록 양각 및 음각을 형성시킬 수 있고, 바람직하게는 상기 제1 영역에서 제2 영역으로 향하여 연결되는 부분과 맞물리게 돌출부를 포함하는 것일 수 있다. 상기 프레스 금형은 Al, Ni, Cu 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것이 바람직하며, 이를 산 용액을 이용하여 에칭함으로써 양각 및 음각을 형성시킬 수 있다. 이와 같은 산 용액 처리에 의한 패터닝 방법은 종래의 패턴화 방법에 비하여 보다 미세한 마이크로미터 수준의 패턴 형성이 가능하다. 상기 프레스 금형을 준비한 다음, 준비된 다공성 기재에 상기 프레스 금형을 압착하여 두께가 다른 제1 영역 및 제2 영역을 형성시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 프레스 금형을 다공성 기재에 약 80~200℃의 온도에서 5~100kgf/cm2의 압력으로 1~5분간 가압하는 것이 바람직하다. 이 때, 다공성 기재에 제1 영역 및 제2 영역을 형성시킬 때 가해지는 온도 또는 압력이 너무 낮거나 시간이 짧으면 다공성 기재에 형성되는 형상이 불균일 할 수 있어 바람직하지 않고, 온도 또는 압력이 너무 높거나 시간이 길면 다공성 기재의 형상이 붕괴될 수 있고 작업의 효율성이 떨어져 바람직하지 않다. 상기 제1 영역 및 제2 영역를 포함하는 다공성 기재를 형성시키는 온도, 압력 및 시간은 전 후로 융통성 있게 조절될 수 있으나, 상기한 조건에서 가장 최적함을 실험적으로 확인할 수 있다.
상기 다공성 기재 상에 전극 슬러리를 함침시키는 단계(S30)는, 도 4를 참고하면, 상기 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 다공성 기재 상에 전극 슬러리를 함침시켜 막-전극 접합체용 전극을 제조하는 단계이다. 상기 전극 슬러리는 촉매, 바인더, 도전재 및 용매 등을 포함할 수 있다. 상기 촉매, 바인더 및 도전재와 관련된 내용은 상기 기재된 내용과 동일하거나 다를 수 있다 상기 용매는 에탄올, 이소프로필알코올, 에틸알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올 등을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 물과 함께 2-프로판올, 에탄올, 이소프로필알콜 등의 알코올류를 사용할 수 있다. 상기 용매는 점성이 저하되면 흐름성이 증가되므로 균일한 면적의 코팅에 바람직한 범위에서 그 사용량을 조절하는 것이 바람직하다. 일반적으로 바인더가 물 또는 물과 알코올의 공용매에 분산된 수분산액의 형태로 사용되고 있다. 상기 전극 슬러리를 구성하는 각 성분은 기계 혼합 또는 초음파 혼합의 방법으로 균일하게 혼합된다.
또한, 상기 전극 슬러리의 함침 공정은 예를 들어, 다공성 기재 상에 코팅 후 함침시킬 수 있다. 구체적으로, 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 및 슬롯 다이 코팅법 등으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 스크린 프린팅법을 사용할 수 있다. 이 때, 코팅하여 함침시키는 단계는 전극 슬러리를 다공성 기재에 1~10회에 걸쳐 실시할 수 있고, 바람직하게는 1~5회에 걸쳐 실시할 수 있다. 코팅 횟수가 7회를 초과하면 함침량이 과도해지는 단점이 있다.
연료전지
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지는 전해질막과, 상기 전해질막 양면에 위치한 막-전극 접합체용 전극을 포함하는 막-전극 접합체; 및 상기 막-전극 접합체와 접하는 중심부 및 상기 중심부를 제외한 가장자리부를 포함하는 서브가스켓;을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전해질막은 본 발명의 수소극 측의 촉매에서 생성된 수소 이온을 공기극 측의 촉매로 이동시키는 이온 교환 기능을 할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
상기 전해질 막은 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 공지된 전해질 막으로써 수소 이온 전도성이 우수한 고분자, 예를 들어, 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는, 플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있다. 또한, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴케톤, 폴리(2,2-m-페닐렌)-5,5-바이벤즈이미다졸(poly(2,2-m-phenylene)-5,5-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 수소 이온 전도성 고분자에서 측쇄 말단에 이온 교환기에서, H를 나트륨, 칼륨, 세슘 등 1가 이온; 테트라부틸암모니움 이온 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 이온으로 치환하여 사용할 수 있다. 상기와 같이 측쇄 말단의 이온 교환기를 치환하여 사용할 경우, 열안정성이 증가하기 때문에, 연료 전지에 포함되는 막-전극 접합체 제조 시 열간 압연 공정 중 200℃ 이상의 고온으로 열처리하여도 고분자 수지가 열화되어 수소이온 전도성이 저하되거나, 또는 이에 따라 연료 전지의 수명이 감소될 우려가 없다. 또한 나트륨, 칼륨, 세슘 또는 테트라부틸암모니움 등의 이온으로 치환된 이온 교환기를 갖는 고분자 전해질 막, 예를 들면 나트륨 이온으로 치환된 경우 나트륨형(sodium-form) 고분자 전해질 막은 이후 촉매층에 대한 황산 처리시 재술폰화되어 프로톤형(proton-form)으로 전환된다. 그러나, 본 발명에 따른 전해질 막은 상기 기재된 종류로 한정되지 않으며, 이온전도도가 뛰어난 폴리퍼플루오로술폰산인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 막-전극 접합체용 전극은 상기 기재된 내용과 동일하거나 다를 수 있다. 상기 전해질막 및 상기 막-전극 접합체용 전극을 준비한 후, 본 발명에 따른 막-전극 접합체를 제조할 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질막 양면에 막-전극 접합체용 전극을 위치시키고, 열과 압력을 가하여 전사할 수 있고, 이때 상기 전사온도는 사용된 전해질 막의 유리전이온도 내지 유리전이온도 +100℃의 온도 범위인 것이 바람직하고, 압력은 5~20kgf/cm2으로 하여 전극을 열간 압연하여 전해질막에 전사할 수 있다. 보다 바람직하게는, 5~50kgf/cm2의 조건에서 열간 압연하여 전사할 수 있다. 상기 온도 및 압력범위 내에서는 전극의 전사가 원활하여 바람직하고, 상기 범위를 벗어나면 전극의 전사가 완전하지 않거나 전극이 지나치게 밀집된 구조를 가지므로 반응물의 유입 및 제거에 바람직하지 않다. 또한, 전해질막에 물리적 변형이 발생할 우려가 있어 바람직하지 않다. 다만, 상기 방법에 특별히 제한되지 않고, 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 방법이라면 이를 통해 막-전극 접합체를 제조할 수 있다.
상기 막-전극 접합체를 제조한 후, 막-전극 접합체의 측면 테두리 영역에 형성되어 막전극 접합체의 측단부를 밀봉하는 서브가스켓을 위치시켜 연료전지를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 서브가스켓은 연료전지의 내구성 향상과 같은 바람직한 주요 기능들을 그대로 발현하면서도 전해질막의 물이 연료전지 밖으로 배출되는 것을 방지할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.
상기 서브가스켓의 형태는 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 형태, 예를 들어, 막-전극 접합체의 형태에 따라 달라질 수 있으며, 직사각형, 정사각형, 타원형, 원형 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 형태일 수 있으며, 특정 형태로 제한되지 아니한다. 이에 따라, 가장자리부의 형태도 중심부를 기준으로 달라질 수 있다. 상기 막-전극 접합체는 두께 방향의 단면 기준 서로 두께가 다른 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 다공성 기재를 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 제1 영역의 두께는 제2 영역의 두께보다 두꺼운 것일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 영역은 상기 서브가스켓의 가장자리부 중 공기유입부 및 수소유입부에 대응하여 위치할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 서브가스켓과 막-전극 접합체가 접합되어 위치한 사시도, 도 5b는 이의 평면도를 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 상기 서브가스켓(30)은 본 발명에 따른 막-전극 접합체(20)와 접하는 중심부(31) 및 상기 중심부를 제외한 가장자리부(32)를 포함할 수 있고, 상기 가장자리부(32)는 공기유입부(321), 공기유출부(323), 수소유입부(325), 및 수소 유출부(327)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 중심부(30) 중에 공기유입부 및 수소유입부 인접부분(311)과, 인접하지 않는 부분(315)이 존재할 수 있고, 막-전극 접합체용 전극(10)에 포함된 다공성 기재 내 제1 영역(111)은 상기 인접부분(311)에 두께방향으로 대응되어 존재할 수 있다. 다만, 공기유입부(321) 및 수소유입부(325)의 위치는 상기 변경될 수 있는 가장자리부(32)의 형태에 따라 본 발명에 적용할 수 있는 통상의 위치라면 어디든 배치될 수 있고, 예를 들어, 마주보는 위치, 대각선으로 어긋나는 위치, 모서리를 맞대고 이웃하는 위치 등으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 인접부분(311)도 이에 대응되어 두께방향으로 가변적으로 변경될 수 있고, 특정 위치로 제한되지 아니한다.
즉, 본 발명에 따른 막-전극 접합체용 전극의 제조방법은 전극 내 출력에 따라 위치별로 전류밀도 분포가 달라지는 것을 반영하여 상기 위치에 따라 촉매의 로딩량 그라데이션(gradation)을 적용하였는 바, 촉매를 효율적으로 사용할 수 있으므로 촉매 사용량 절감에 의한 비용절감이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 이에 따라 제조된 막-전극 접합체용 전극은 두께가 다른 제1 영역 및 제2 영역을 갖는 다공성 기재를 포함하고 있으므로, 열압착 조건 선정이 용이한 바, 공정 효율이 향상될 뿐 아니라, 다공성 기재는 소수성이고 기존 전극에 비해 전극 내 기공 크기가 줄어들지 않으므로 플러딩이 개선될 수 있어, 운전 영역이 다양해질 수 있다. 또한, 다공성 기재를 포함하는 전극은 전극 유실을 최소한으로 줄일 수 있으므로, 전극 내구성이 개선될 수 있다.
10 : 막-전극 접합체용 전극
11 : 다공성 기재, 12 : 전극 물질
20 : 막-전극 접합체
30 : 서브 가스켓
31 : 중심부, 32 : 가장자리부
40 : 금형 프레스

Claims (16)

  1. 기공을 포함하는 다공성 기재; 및
    상기 다공성 기재에 함침된 전극 물질을 포함하고,
    상기 다공성 기재의 두께 방향의 단면 중 일부 영역은 다른 영역에 비해 두께가 다르고,
    상기 다공성 기재의 두께 방향의 단면 중 일부 영역은 다른 영역에 비해 전극 밀도가 다른 막-전극 접합체용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 기재의 두께 방향의 단면은 서로 두께가 다른 제1 영역; 및 제2 영역을 포함하고,
    상기 제1 영역의 두께는 제2 영역의 두께보다 두꺼운 것인 막-전극 접합체용 전극.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역에 함침된 전극 물질 내 촉매 로딩량은 상기 제2 영역에 함침된 전극 물질 내 촉매 로딩량보다 많은 것인 막-전극 접합체용 전극.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역에 함침된 전극 물질 내 촉매 로딩량은 0.5~1.0mg/cm2이고, 상기 제2 영역에 함침된 전극 물질 내 촉매 로딩량은 0.05~0.5mg/cm2 인 것인 막-전극 접합체용 전극.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역에서 제2 영역으로 향하여 연결되는 부분이 직각 또는 경사지게 연결되는 것인 막-전극 접합체용 전극.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역의 두께는 5~10μm이고, 상기 제2 영역의 두께는 2~5μm인 것인 막-전극 접합체용 전극.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 다공성 기재는 일면은 평탄하고, 타면은 상기 제1 영역 및 제2 영역의 형상에 따라 굴곡진 것인 막-전극 접합체용 전극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 기재는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(Ethylene/Tetrafluoroethylene(ETFE)), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 폴리이미드, 폴리에스테르, 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 막-전극 접합체용 전극.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기공의 크기는 0.8~5.0μm인 것인 막-전극 접합체용 전극.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역의 기공률은 50~80%이고, 상기 제2 영역의 기공률은 10~50%인 것인 막-전극 접합체용 전극.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역의 전극 밀도는 제2 영역의 전극 밀도보다 높은 것인 막-전극 접합체용 전극.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 영역의 전극 밀도는 0.20~0.35mg/cm2이고, 상기 제2 영역의 전극 밀도는 0.05~0.20mg/cm2인 것인 막-전극 접합체용 전극.
  13. 다공성 기재를 준비하는 단계;
    상기 다공성 기재를 프레스 금형으로 압착하여, 두께 방향의 단면 기준으로 서로 두께가 다른 제1 영역, 및 제2 영역을 포함하는 다공성 기재를 형성시키는 단계; 및
    상기 다공성 기재 상에 전극 슬러리를 함침시키는 단계를 포함하는 막-전극 접합체용 전극의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 영역에서 제2 영역으로 향하여 연결되는 부분이 직각 또는 경사지게 연결되는 것인 막-전극 접합체용 전극의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 프레스 금형은 상기 제1 영역에서 제2 영역의 형상에 따라 맞물리는 돌출부를 포함하는 것인 막-전극 접합체용 전극의 제조방법.
  16. 전해질막과, 상기 전해질막 양면에 위치한 제1항의 막-전극 접합체용 전극을 포함하는 막-전극 접합체; 및
    상기 막-전극 접합체와 접하는 중심부 및 상기 중심부를 제외한 가장자리부를 포함하는 서브가스켓;을 포함하고,
    상기 가장자리부는 공기유입부 및 수소유입부를 포함하고,
    상기 막-전극 접합체용 전극은 두께 방향의 단면 기준으로 제2 영역보다 두께가 두꺼운 제1 영역을 포함하는 다공성 기재를 포함하고,
    상기 제1 영역은 상기 서브가스켓의 가장자리부 중 공기유입부 및 수소유입부에 대응하여 위치하는 연료전지.
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