KR100612233B1 - 연료전지용 막/전극 접합체, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막/전극 접합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 상기 막/전극 접합체는 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질 막의 양면에 배치되는 촉매층; 및 상기 촉매층의 고분자 전해질 막과 접촉하지 않는 일면에 배치되는 기체 확산층을 포함하고, 상기 고분자 전해질 막과 촉매층 사이에 존재하는 나노사이즈의 미세입자를 포함한다. 본 발명은 또한 상기 막/전극 접합체; 상기 막/전극 접합체를 협지하는 바이폴러 플레이트를 구비한 연료전지를 제공한다.
연료전지, 나노사이즈의 미세입자, 막/전극 접합체, 촉매

Description

연료전지용 막/전극 접합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지{A MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL, A METHOD FOR PREPARING THE SAME AND A FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
도 1은 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지의 작동상태를 개략적으로 보인 도면이다.
도 2는 실시예 1의 나노사이즈의 입자가 코팅된 고분자 전해질 막의 표면을 보인 SEM 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 연료전지 10a: 연료극 촉매층 애노드
10b: 공기극 촉매층 20: 막/전극 접합체
15: 고분자 전해질 막
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료전지용 막/전극 접합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매층이 존재하는 유효면적을 증가시켜 높은 전기화학적 산화/환원 반응속도를 얻을 수 있는 연료전지용 막/전극 접합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
[종래 기술]
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.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키고 그 수소 기체를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하 고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키며, 스택에서 이 수소 기체와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막/전극 접합체는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가진다.
도 1은 연료전지(1)의 작동상태를 개략적으로 보인 도면이다. 연료전지에서막/전극 접합체(20)은 연료극 촉매층(10a), 공기극 촉매층(10b), 및 고분자 전해질 막(15)을 포함한다. 도 1을 참조하여 설명하면, 수소 기체 또는 연료가 상기 연료극 촉매층(10a)에 공급되면 전기화학적 산화반응이 일어나면서 수소이온 H+와 전자 e-로 이온화되면서 산화된다. 이온화된 수소이온은 고분자 전해질 막(15)을 통하여 공기극 촉매층(10b)로 이동하고 전자는 연료극 촉매층(10a)를 통해 이동하게 된다. 공기극 촉매층(10b)로 이동한 수소이온은 공기극 촉매층(10b) 로 공급되는 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시키고 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 이러한 전기화학적 반응은 하기 반응식으로 나타낼 수 있다.
[반응식 1]
애노드 전극: H2 → 2H+ + 2e-
캐소드 전극: 2H+ + 1/2 O2 + 2e- → H2O
본 발명의 목적은 촉매층의 유효면적을 증가시켜 높은 전기화학적 산화/환원 반응속도를 얻을 수 있는 연료전지용 막/전극 접합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질 막의 양면에 배치되는 촉매층; 및 상기 촉매층의 고분자 전해질 막과 접촉하지 않는 일면에 배치되는 기체 확산층을 포함하고, 상기 고분자 전해질 막과 촉매층 사이에 존재하는 나노사이즈의 미세입자를 포함하는 연료전지용 막/전극 접합체를 제공한다.
본 발명은 또한, 고분자 전해질막의 양면에 나노사이즈의 미세입자를 코팅하는 단계; 상기 나노사이즈의 미세입자가 코팅된 고분자 전해질막에 금속 촉매층을 형성하는 단계; 및 상기 나노사이즈의 미세입자가 코팅되고, 금속 촉매층이 형성된 고분자 전해질 막의 양면에 도전성 기재로 이루어지는 기체 확산층을 접착시키는 단계를 포함하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한 상기 막/전극 접합체; 상기 막/전극 접합체를 협지하는 바이폴러 플레이트를 구비한 연료전지를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 촉매층이 존재하는 유효면적을 증가시켜 전기화학적 반응속도를 향상시키고자 촉매층과 고분자 전해질 막 사이에 나노사이즈의 미세입자를 존재하게 한다. 본 발명의 막/전극 접합체는 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질 막의 양면에 배치되는 촉매층; 및 상기 고분자 전해질 막과 촉매층 사이에 존재하는 다수의 나노사이즈의 미세입자를 포함한다.
상기 고분자 전해질막은 수소이온 전도성을 갖는 고분자라면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 바람직하게는 불소계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 케톤계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자, 이미드계 고분자 등이 사용될 수 있으며, 이들의 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤 또는 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 등의 폴리벤즈이미다졸 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로 상기 고분자 전해질막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.
상기 고분자 전해질막의 양측 표면에는 높은 비표면적을 가지는 나노사이즈의 미세입자가 코팅되어 촉매층이 형성될 유효면적을 증가시킨다. 상기 나노사이즈의 미세입자의 예로는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO 2), 지르코니아(ZrO2), BaTiO2, Ba2O3, ZrP 등의 무기물 입자가 있다. 나노사이즈의 미세입자가 코팅된 고분자 전해질막은 표면조도가 높은 표면을 가진다. 본 발명에 따른 고분자 전해질막은 나노사이즈의 미세입자의 코팅으로 실제 표면적이 고분자 전해질 막의 2차원적인 표면적에 비하여 10 내지 500배로 넓어진다. 상기 2차원적인 표면적은 표면이 평평한 평면상의 표면적을 의미한다.
본 발명에서 "나노사이즈"란 용어는 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 크기 즉, 1 나노미터 이상, 1 마이크로미터 미만의 크기를 나타낸다. 상기 나노사이즈의 미세입자는 10 내지 100nm의 두께로 전해질 막에 코팅되는 것이 바람직하다.
상기 촉매층은 관련 반응(수소의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 포함하는 것으로서, 백금, 루테늄, 백금-루테늄 합금, 백금-전이금속 합금 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 전이금속의 예로는 크롬, 구리, 니켈 등이 있다.
본 발명의 막/전극 접합체는 고분자 전해질막의 양면에 나노사이즈의 미세입자를 코팅하고; 상기 나노사이즈의 미세입자가 코팅된 고분자 전해질막에 금속 촉매층을 형성하고; 상기 나노사이즈의 미세입자가 코팅되고, 금속 촉매층이 형성된 고분자 전해질 막의 양면에 도전성 기재로 이루어지는 기체 확산층을 접착시키는 공정에 의해 제조된다. 이하 각 단계의 공정에 대하여 상세히 설명한다.
상기 미세입자는 바인더 수지 및 용매와 혼합하여 슬러리 조성물로 제조하여 이를 고분자 전해질막에 코팅한 후 용매를 제거하여 미세입자층을 이룬다. 상기 바인더로는 수소이온 전도성 고분자가 사용될 수 있으며, 이들의 바람직한 예로는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리퍼플루오로카르복실산, 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤 또는 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) Sulfonated polystyrene, Sulfonated polysulfone, Sulfonated polycarbonate 등이 있다. 상기 용매로는 물, 알코올, 에테르, 트리플루오로아세틱산, 트리플루오로술폰산, 인산수용액용액, 황산수용액, DMAc(Dimethylacetamide), DMSO(Dimethylsulfoxide), NMP(N-methylpyrrolidone) 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 미세입자와 바인더 수지는 1:5 내지 100:1의 중량비로 사용하는 것이 바람직하고, 9:1 내지 1:1의 중량비로 사용하는 것이 더 바람직하고, 4:1 내지 3:2의 중량비로 사용하는 것이 가장 바람직하다. 상기 미세입자가 상기 하한범위보다 적게 사용되는 경우에는 촉매층이 형성될 표면적 증가의 효과가 미미하고 상기 미세입자가 상한 범위를 초과하는 경우에는 바인더 수지에 의한 부착성이 저하되어 바람직하지 않다.
상기 코팅공정은 조성물의 점성에 따라 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 스핀코팅법, 스프레이 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 코팅 후 20 내지 150℃의 온 도에서 진공 또는 상압에서 건조하여 잔류용매를 제거시킨다.
본 발명에서 상기 촉매층은 금속 촉매를 슬러리 상태로 습식 코팅하여 형성할 수도 있고 증착법을 이용하여 건식 코팅에 의하여 형성할 수도 있으나, 후자의 방법이 고분자 전해질 막의 표면에만 금속 촉매가 존재하게 하여 촉매의 사용량을 감소시킬 수 있고, 촉매로의 수소이온의 전달경로가 단축되어 반응속도를 증가시킬 수 있으며, 균일한 박막으로 형성할 수 있어 바람직하다. 본 발명의 촉매층은 표면조도가 높은 나노사이즈의 미세입자 위에 형성되므로 금속촉매의 유효면적이 증가될 수 있다.
첫번째 슬러리 코팅법은 금속 촉매를 탄소, 무기물 미립자 등과 같은 담체에 담지시켜 슬러리 상태로 고분자 전해질막에 코팅하여 실시한다. 상기 담체의 구체적인 예로는 아세틸렌 블랙, 흑연 등과 같은 탄소, 또는 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자가 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다. 상기 코팅공정은 코팅 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
두번째 방법인 증착법으로는 플라즈마 화학 기상 증착, 레이저 화학 기상 증착과 같은 화학 기상 증착, 스퍼터링, 이온 빔 증착(electron beam evaporation), 진공 증착(vaccum thermal evaporation), 레이저 어블레이션(laser ablation), 열 증착(thermal evaporation), 물리 기상 증착 등이 이용될 수 있으며, 이들에 한정되는 것은 아니다.
통상의 촉매층은 도전성 기재에 코팅되어 형성되지만 본 발명에서는 촉매층이 고분자 전해질 막에 직접 코팅된다.
고분자 전해질 막의 표면에 나노사이즈의 미세입자와 촉매층을 형성한 다음 도전성 기재와 접착하여 막/전극 접합체를 제조할 수 있다. 상기 도전성 기재로는 탄소 페이퍼 또는 탄소 천이 사용될 수 있으며, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등으로 발수 처리하여 사용할 수 있다. 상기 도전성 기재는 고분자 막/전극 접합체를 지지하는 역할을 함과 아울러 고분자 막/전극 접합체에 반응기체를 확산시키는 기체 확산층의 역할을 한다.
고분자 전해질 막과 도전성 기재는 열 또는 압력을 가하여 접착될 수 있다. 또한 고분자 전해질 막에 형성된 촉매층에 이온 전도성 고분자 용액 또는 이온 전도성 고분자와 전도성 카본의 혼합용액을 도포한 후 상온에서 가압하고 용매를 증발시킴으로써 접착시킬 수도 있다. 이러한 이온 전도성 고분자의 예로는 폴리퍼플루오로설폰산, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에틸렌옥사이드 등이 있다. 상기 이온 전도성 고분자나 전도성 카본은 촉매층으로 전자나 수소이온의 전달을 용이하게 한다.
도전성 기재에는 고분자 전해질 막과 접착시키기 전에 도전성 분말을 코팅하여 미세기공층(microporous layer)을 형성할 수 있다. 또한 촉매층에 미세기공층을 형성한 후 도전성 기재와 접착시킬 수도 있다. 미세기공층은 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본파이 버, 플러렌(fullerene) 또는 카본나노튜브를 포함할 수 있다.
상기 미세기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 도전성 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고 상기 용매로는, 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올등과 같은 알코올, 물, DMAc(Dimethylacetamide), DMSO (Dimethylsulfoxide), NMP(N-methylpyrrolidone) 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제조된 막/전극 접합체는 가스 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 바이폴러 플레이트 사이에 삽입하여 단위 전지를 제조하고 이를 적층하여 스택을 제조한 후 이를 두개의 엔드 플레이트 사이에 삽입하여 연료전지를 제조할 수 있다. 연료전지는 이 분야의 통상의 기술에 의하여 모두 제조될 수 있다. 본 발명의 막/전극 접합체는 저온가습형, 저온무가습형, 및 고온무가습형 전지에 모두 적용될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(비교예 1)
폴리(퍼플루오로설폰산) 고분자 막(Nafion 112, Dupont)에 백금을 0.02mg/cm2의 양을 증착하여 촉매층을 형성하였다. 제조된 고분자 막과 탄소 페이퍼를 적층한 후 가압하여 막/전극 접합체를 제조하였다. 상기 제조된 막/전극 접합체를 두장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴러 플레이트에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.
이 경우 가습된 O2/H2 기체를 연료로 사용하고 60도의 운전조건에서 0.6V 0.1A/cm2의 성능을 나타내었다. 이 경우 촉매의 표면적은 2m2/g을 나타내었다
(실시예 1)
나노사이즈의 알루미나, 폴리(퍼플루오로설폰산) 바인더 수지 및 이소프로필알코올을 혼합하여 나노사이즈의 미세입자를 포함하는 슬러리 조성물을 제조하였다. 이때 알루미나:바인더 수지의 혼합 중량비는 7:3으로 하였다. 폴리(퍼플루오로설폰산) 고분자 막(Nafion 112, Dupont)에 상기 슬러리 조성물을 코팅한 후 용매를 제거하여 미세입자층을 형성하였다. 상기 미세입자가 형성된 고분자 막에 백금을 0.02mg/cm2의 양을 증착하여 촉매층을 형성하였다. 제조된 고분자 막과 탄소 페이퍼를 적층한 후 가압하여 막/전극 접합체를 제조하였다. 도 2에는 실시예 1에 따라 제조된 나노사이즈의 알루미나 입자가 코팅된 고분자 막의 표면을 보인 SEM 사진을 도시하였다.
상기 제조된 막/전극 접합체를 두장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일 정 형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴러 플레이트에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.
이 경우 가습된 O2/H2 기체를 연료로 사용하고 60도의 운전조건에서 0.6V 1.7A/cm2의 성능을 나타내었다. 이 경우 촉매의 표면적은 13m2/g을 나타내었다.
(실시예 2)
나노사이즈의 실리카, 폴리(퍼플루오로설폰산) 바인더 수지 및 이소프로필알코올을 혼합하여 나노사이즈의 미세입자를 포함하는 슬러리 조성물을 제조하였다. 이때 알루미나:바인더 수지의 혼합 중량비는 7:3으로 하였다. 폴리(퍼플루오로설폰산) 고분자 막(Nafion 112, Dupont)에 상기 슬러리 조성물을 코팅한 후 용매를 제거하여 미세입자층을 형성하였다. 상기 미세입자가 형성된 고분자 막에 백금을 0.02mg/cm2의 양을 증착하여 촉매층을 형성하였다. 제조된 고분자 막과 탄소 페이퍼를 적층한 후 가압하여 막/전극 접합체를 제조하였다.
상기 제조된 막/전극 접합체를 두장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴러 플레이트에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.
이 경우 가습된 O2/H2 기체를 연료로 사용하고 60도의 운전조건에서 0.6V 1.9A/cm2의 성능을 나타내었다. 이 경우 촉매의 표면적은 17m2/g을 나타내었다.
(실시예 3)
탄소 페이퍼에 도전성 분말로 카본 블랙을 코팅하여 미세기공층을 형성한 다음 실시예 1에서의 방법과 동일하게 나노사이즈의 미세입자층과 촉매층이 형성된 고분자막과 적층한 후 가압하여 막/전극 접합체를 제조한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
이 경우 가습된 O2/H2 기체를 연료로 사용하고 60도의 운전조건에서 0.6V 1.9A/cm2의 성능을 나타내었다. 이 경우 촉매의 표면적은 13m2/g을 나타내었다. 이는 도전성 분말로 구성된 미세 기공층에 의해 기체의 균일한 확산이 가능해졌으며, 양극에서 생성된 물이 촉매층에 적정량 분포하게 되었기 때문이다.
실시예 1 내지 3에서와 같이 나노사이즈의 미세입자를 포함하는 막 표면에 촉매층을 도입된 경우, 나노사이즈의 미세입자가 도입되지 않은 막 표면에 촉매층을 도입한 비교예 1에 비하여 우수한 전류밀도를 나타내었다. 이는 촉매 무게당 Pt 촉매의 표면적이 증가하여 보다 전류생성을 위한 유효 면적이 넓어졌기 때문이다.
본 발명에서는 고분자 전해질막과 촉매층 사이에 나노사이즈의 미세입자가 존재하도록 하여 촉매층의 유효면적을 증가시켜 높은 전기화학적 산화/환원 반응속도를 향상시킬 수 있다.

Claims (19)

  1. 고분자 전해질막;
    상기 고분자 전해질 막의 양측면에 배치되는 촉매층;
    상기 촉매층의 양측면에 배치되는 기체 확산층, 및
    상기 촉매층과 기체확산층 사이에 탄소계 도전성 분말을 포함하는 미세기공층을 포함하고,
    상기 고분자 전해질 막과 촉매층 사이에 존재하며, 1 나노미터 이상, 1 마이크로미터 미만의 크기를 가지는 나노사이즈의 미세입자를 포함하고,
    상기 나노사이즈의 미세입자가 부착된 고분자 전해질 막은 2차원적인 표면적에 비하여 10 내지 500 배의 증가된 표면적을 가지는 것인 연료전지용 막/전극 접합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고분자 전해질 막은 수소이온 전도성을 가지는 불소계고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 케톤계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자, 및 이미드계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하는 것인 막/전극 접합체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고분자 전해질 막은 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하는 것인 막/전극 접합체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 나노사이즈의 미세입자는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), BaTiO2, Ba2O3, ZrP 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 막/전극 접합체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 백금-루테늄 합금, 및 백금-전이금속 합금 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 금속촉매를 포함하는 것인 연료전지용 막/전극 접합체.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 고분자 전해질막의 양 측면에 1 나노미터 이상, 1 마이크로미터 미만의 크기를 가지는 나노사이즈의 미세입자를 코팅하는 단계(여기에서 상기 나노사이즈의 미세입자가 부착된 고분자 전해질 막은 2차원적인 표면적에 비하여 10 내지 500 배의 증가된 표면적을 가짐);
    상기 나노사이즈의 미세입자가 코팅된 고분자 전해질막에 금속 촉매층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 촉매층이 형성된 고분자 전해질 막의 양측면에, 탄소계 도전성 분말을 포함하는 미세기공층이 형성된 도전성 기재로 이루어지는 기체 확산층을 접착시키는 단계
    를 포함하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 미세입자는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), BaTiO2, Ba2O3, ZrO2 , ZrP 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 나노사이즈의 미세입자는 미세입자, 바인더 및 용매를 포함하는 슬러리 조성물을 코팅하여 나노입자층으로 제조되는 것인 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 바인더는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 미세입자와 바인더는 1:5 내지 100:1의 중량비로 사용 하는 것 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법
  13. 제8항에 있어서, 상기 촉매층은 습식 코팅 또는 건식 코팅에 의하여 형성되는 것인 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 건식 코팅은 화학 기상 증착, 스퍼터링, 이온 빔 증착(electron beam evaporation), 진공 증착(vaccum thermal evaporation), 레이저 어블레이션(laser ablation), 열증착(thermal evaporation), 및 물리 기상 증착으로 이루어진 군에서 선택되는 코팅법인 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
  15. 제8항에 있어서, 상기 고분자 전해질 막과 도전성 기재로 이루어지는 기체 확산층의 접착은 열 또는 압력에 의해 이루어지는 것인 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
  16. 제8항에 있어서, 상기 접착공정 전에 고분자 전해질막의 형성된 촉매층에 이온 전도성 고분자 용액 또는 이온 전도성 고분자와 전도성 카본의 혼합용액을 도포하는 공정을 더 포함하는 것인 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
  17. 삭제
  18. 제1항 내지 제5항중 어느 하나의 항에 따른 막/전극 접합체; 및
    상기 막/전극 접합체를 협지하는 바이폴러 플레이트를 포함하는 연료전지.
  19. 제8항 내지 제16항중 어느 하나의 항에 따라 제조된 막/전극 접합체; 및
    상기 막/전극 접합체를 협지하는 바이폴러 플레이트를 포함하는 연료전지.
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