KR20060086532A - Electrode for fuel cell, and membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 촉매층과 상기 촉매층을 지지하는 전극 기재를 포함하고, 상기 전극 기재는 물을 배출시키는 친수성 채널이 형성되어 있고, 상기 친수성 채널을 제외한 영역은 발수성 고분자로 코팅되어 있는 것인 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention includes a catalyst layer and an electrode substrate for supporting the catalyst layer, wherein the electrode substrate is formed with a hydrophilic channel for discharging water, and the region except for the hydrophilic channel is coated with a water-repellent polymer, and It relates to a membrane-electrode assembly and a fuel cell system comprising the same.

상기 연료전지용 전극은 전극 기재에 친수성 채널을 형성함으로써 이 채널을 통하여 캐소드 전극에서 형성되는 물의 셀 외부로 용이하게 배출될 수 있고, 따라서 물에 의하여 기공이 막히는 현상을 방지하여 고율에서 높은 전류밀도를 나타낼 수 있다. The fuel cell electrode can be easily discharged to the outside of the cell of water formed at the cathode electrode through the channel by forming a hydrophilic channel on the electrode substrate, thus preventing the clogging of the pores by the water to high current density at a high rate Can be represented.

연료전지, 전극 기재, 기체 확산층, 친수성 채널Fuel Cell, Electrode Base, Gas Diffusion Layer, Hydrophilic Channel

Description

연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템{ELECTRODE FOR FUEL CELL, AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}ELECTRODE FOR FUEL CELL, AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME

도 1은 전극 기재의 제조공정을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a manufacturing process of an electrode substrate.

도 2는 연료 전지용 스택의 구조를 보여주는 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view showing the structure of a fuel cell stack.

도 3은 연료 전지의 구동원리를 보여주는 모식도이다.3 is a schematic diagram showing the driving principle of a fuel cell.

도 4는 본 발명의 전극을 포함하는 연료전지 시스템의 일 예를 나타낸 구성도이다.4 is a configuration diagram showing an example of a fuel cell system including an electrode of the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지의 성능을 보인 도면이다. 5 is a view showing the performance of the fuel cell manufactured according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 according to the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 전해질막의 수분 함습도를 일정하게 유지하면서도 캐소드 전극에서 형성되는 물을 용이하게 배출되도록 함으로써 물 에 의하여 기공이 막히는 현상을 방지하고, 이로써 고율에서의 전류밀도를 향상시킬 수 있는 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode for a fuel cell, a membrane-electrode assembly and a fuel cell system including the same. More particularly, the water formed in the cathode electrode can be easily discharged while maintaining a constant moisture content of the polymer electrolyte membrane. The present invention relates to a fuel cell electrode and a fuel cell system including the same, which can prevent pores from clogging and thereby improve current density at a high rate.

[종래 기술][Prior art]

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올 및 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질 등이 서로 다르다.Fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte or alkaline fuel cells, depending on the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst and electrolyte, and the like.

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 및 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), which is being developed recently, has superior output characteristics compared to other fuel cells, has a low operating temperature, fast start-up and response characteristics, and a mobile power source such as an automobile. Of course, it has a wide range of applications, such as distributed power supplies such as homes and public buildings and small power supplies such as for electronic devices.

이러한 연료전지 시스템은 전기를 실질적으로 발생시키는 전기 발생부가 적어도 하나 이상 적층 형성된 연료전지 스택을 구비하고 있다.Such a fuel cell system includes a fuel cell stack in which at least one electricity generating unit substantially generating electricity is formed.

상기 연료전지 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA, 12)와 이의 양면에 밀착하는 세퍼레이터(바이폴러 플레이트(Bipolar Plate)라고도 한다)로 이루어진 단위 셀이 복수개 적층되어 전기적으로 직렬 접속된 형태로 이루 어진다. 상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가지며, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 고분자 전해질막과 접촉 형성된 촉매층과, 상기 촉매층과 접촉 형성된 기체 확산층(Gas diffusion layer; GDL)으로 구성된다. 또한, 상기 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 기체 유로가 형성된다. 스택의 최외측에 각각 위치하는 세퍼레이터는 엔드 플레이트로 정의할 수 있다.The fuel cell stack has a plurality of unit cells including a membrane electrode assembly (MEA) 12 and a separator (also referred to as a bipolar plate) that adheres to both surfaces thereof and is electrically connected in series. Is made up of. The membrane-electrode assembly has a structure in which an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") are bonded to each other with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. The anode electrode and the cathode electrode include a catalyst layer formed in contact with the polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer (GDL) formed in contact with the catalyst layer. In addition, the separator is provided with a gas flow path for supplying fuel required for the reaction of the fuel cell to the anode electrode, and for supplying oxygen to the cathode electrode. Separators positioned on the outermost side of the stack can be defined as end plates.

상기 막-전극 어셈블리는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 결합된 구조를 가지며, 이들 전극들은 산화 반응에 의해 연료를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. The membrane-electrode assembly has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are coupled with an electrolyte membrane interposed therebetween, and these electrodes have a catalyst layer for converting fuel into electrons and hydrogen ions by an oxidation reaction, and smooth movement of electrons and hydrogen ions. It consists of a gas diffusion layer for.

또한, 상기 세퍼레이터는 각각의 막-전극 어셈블리를 분리하고 연료 전지의 반응에 필요한 연료 기체와 산소를 각각 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할과, 각 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.  In addition, the separator separates each membrane electrode assembly and serves as a passage for supplying fuel gas and oxygen required for the reaction of the fuel cell to the anode electrode and the cathode electrode of the membrane electrode assembly, respectively. It simultaneously serves as a conductor that connects the anode and cathode electrodes in series.

세퍼레이터를 통해 애노드 전극에는 수소 또는 연료가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산화제가 공급된다. 이 과정에서 하기 반응식 1과 같이 애노드 전극에서는 수소 또는 연료의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산화제의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키 고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.The separator is supplied with hydrogen or fuel to the anode electrode, while the cathode is supplied with oxidant. In this process, an oxidation reaction of hydrogen or fuel occurs at an anode electrode, a reduction reaction of an oxidant occurs at a cathode electrode, and generates electricity due to the movement of electrons generated at this time. Generate.

[반응식 1]Scheme 1

애노드 전극: H2 → 2H+ + 2e- 혹은 CH3OH + H2 O → 6H+ + CO2 + 6e- The anode: H 2 → 2H + + 2e - or CH 3 OH + H 2 O → 6H + + CO 2 + 6e -

캐소드 전극: 2H+ + 1/2 O2 + 2e- → H2O Cathode: 2H + + 1/2 O 2 + 2e - → H 2 O

상기 반응식에 따르면, 연료 전지 반응 수행 후 캐소드 전극 측에서 물이 발생하며, 이는 막-전극 어셈블리로 산소를 공급하는 세퍼레이터의 입구 영역에서 반응율이 높아 더욱 많은 양으로 발생한다. 상기 생성된 물은 즉각적으로 출구를 통해 제거되어야 하며 그러지 못할 경우, 세퍼레이터를 거쳐 주입되는 산소의 공급압이 점차 상승하게 될 뿐만 아니라, 상기 막-전극 어셈블리 내의 고분자 전해질막의 함수율이 증가한다.According to the above reaction formula, water is generated at the cathode electrode side after the fuel cell reaction is performed, which is generated in a larger amount due to a higher reaction rate in the inlet region of the separator that supplies oxygen to the membrane-electrode assembly. The produced water must be immediately removed through the outlet, otherwise, the supply pressure of oxygen injected through the separator gradually increases, as well as the water content of the polymer electrolyte membrane in the membrane-electrode assembly increases.

통상적으로, 연료전지 시스템의 고분자 전해질막은 함수율이 증가함에 따라 애노드 전극에서 생성된 수소 이온의 전도도가 증가하기 때문에 일정 수준의 수분을 함유하도록 한다. 그러나, 지나친 수분의 함량은 기체 확산층 또는 세퍼레이터의 기체 유로의 폐색을 유도하여, 결과적으로 기체 확산이 저하되어 전지 성능이 극단적으로 열화된다. 따라서, 고성능의 연료전지를 제작하기 위해서는 상기 고분자 전해질막을 적당한 습윤상태를 유지하면서 과량의 수분을 안전하고 신속하게 제거하는 것이 필요하다.In general, the polymer electrolyte membrane of the fuel cell system has a certain level of moisture because the conductivity of the hydrogen ions generated at the anode electrode increases as the water content increases. However, excessive moisture content leads to blockage of the gas flow path of the gas diffusion layer or the separator, and as a result, the gas diffusion is lowered and the battery performance is extremely degraded. Therefore, in order to manufacture a high performance fuel cell, it is necessary to safely and quickly remove excess moisture while maintaining the polymer electrolyte membrane in a suitable wet state.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 고분자 전해질막의 수분 함습도를 일정하게 유지하면서도 캐소드 전극에서 형성되는 물을 용이하게 배출되도록 함으로써 물에 의하여 기공이 막히는 현상을 방지하고 이로써 고율에서의 전류밀도를 향상시킬 수 있는 연료전지용 전극을 제공하는 것이다. In order to solve the above problems, an object of the present invention is to prevent the phenomenon of pores clogged by water by easily draining the water formed in the cathode electrode while maintaining a constant moisture moisture content of the polymer electrolyte membrane and thereby the current at a high rate It is to provide an electrode for a fuel cell that can improve the density.

본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell membrane-electrode assembly comprising the fuel cell electrode.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system including the fuel cell electrode.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 촉매층과 (b) 촉매층을 지지하는 전극 기재를 포함하고, 상기 전극 기재는 물을 배출시키는 친수성 채널이 형성되어 있고, 상기 친수성 채널을 제외한 영역은 발수성 고분자로 코팅되어 있는 것인 연료전지용 전극을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes (a) a catalyst layer and (b) an electrode substrate for supporting the catalyst layer, the electrode substrate is formed with a hydrophilic channel for discharging water, the region excluding the hydrophilic channel Silver provides a fuel cell electrode that is coated with a water-repellent polymer.

본 발명은 또한 상기 전극을 애노드 전극 또는 캐소드 전극으로 사용하고 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 고분자 전해질 막이 개재된 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also provides a membrane-electrode assembly for a fuel cell using the electrode as an anode electrode or a cathode electrode and having a polymer electrolyte membrane interposed between the anode electrode and the cathode electrode.

본 발명은 또한 (a) (i) 촉매층과 상기 촉매층을 지지하는 전극 기재를 포함하고, 상기 전극 기재는 물을 배출시키는 친수성 채널이 형성되어 있고, 상기 친수성 채널을 제외한 영역은 발수성 고분자로 코팅되어 있는 것인 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리; 및 (ii) 상기 막-전극 어셈블리의 양측면에 위치하는 기체 유로가 구비된 세퍼레이터를 포함하는 전기발생부, (b) 연료공급부, 및 (c) 산화제 공급부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.The present invention also includes (a) (i) a catalyst layer and an electrode substrate for supporting the catalyst layer, wherein the electrode substrate is formed with a hydrophilic channel for discharging water, and the region except for the hydrophilic channel is coated with a water repellent polymer. A membrane-electrode assembly comprising an electrode; And (ii) an electric generator including a separator having gas flow paths positioned at both sides of the membrane electrode assembly, (b) a fuel supply part, and (c) an oxidant supply part.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

연료전지용 전극은 일반적으로 전기화학적 반응에 참여하는 촉매층과 이를 지지하는 전극 기재로 이루어진다. 상기 전극 기재는 세퍼레이터와 접촉 형성되어, 상기 세퍼레이터의 기체 유로로부터 촉매층 안의 촉매로 균일하게 연료 또는 공기 등의 반응기체를 공급하기 위한 기체 투과 및 확산 기능을 하므로 기체 확산층(gas diffusion layer; GDL)이라고 한다. 상기 전극 기재는 또한 촉매층에서 반응에 의해 생성된 물을 신속하게 기체 유로로 배출하는 기능을 하는 물 투과능과, 반응에 필요하거나 반응 중 생성된 전자를 도전하는 도전 기능을 하는 전자 도전성의 기능도 수행한다. 상기한 기능을 수행하기 위해 전극 기재는 일반적으로 다공성이 있는 도전성 기재가 사용되고 있다. 상기 전극 기재로는 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 천(carbon cloth) 및 카본 펠트(carbon felt) 등을 사용할 수 있다. The electrode for a fuel cell generally consists of a catalyst layer participating in an electrochemical reaction and an electrode substrate supporting it. The electrode substrate is formed in contact with the separator, and functions as a gas diffusion layer (GDL) because the electrode substrate performs gas permeation and diffusion functions for uniformly supplying a reactant such as fuel or air to the catalyst in the catalyst layer from the gas flow path of the separator. do. The electrode base material also has a function of water permeability, which quickly discharges water generated by the reaction from the catalyst layer into the gas flow path, and an electronic conductivity function, which serves as a conductive function to challenge electrons required or generated during the reaction. Perform. In order to perform the above function, the electrode substrate is generally a porous conductive substrate is used. As the electrode base material, carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or the like may be used.

본 발명에서는 고분자 전해질 막의 수분 함습도를 일정하게 유지하면서도 캐소드 전극에서 형성되는 물을 용이하게 배출되도록 함으로써 물에 의하여 기공이 막히는 현상(water clogging)을 방지하고 이로써 고율에서의 전류밀도를 향상시킬 수 있는 연료전극을 제공하기 위하여 상기 전극 기재에 물 배출능이 우수한 친수성 채널을 형성한다.In the present invention, it is possible to easily discharge the water formed in the cathode electrode while maintaining a constant moisture moisture of the polymer electrolyte membrane to prevent water clogging (water clogging) by the water thereby improving the current density at a high rate In order to provide a fuel electrode, a hydrophilic channel having excellent water discharge capability is formed on the electrode substrate.

상기 전극 기재는 물이 효과적으로 배출될 수 있도록 친수성 채널 이외의 영역은 발수 코팅 처리한다. 발수 코팅은 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이 티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(Polychlorotrifluoroethylene)등으로 처리하는 것이 일반적이다.The electrode substrate has a water repellent coating on areas other than the hydrophilic channel so that water can be effectively discharged. The water repellent coating is generally treated with polytetrafluoroethylene, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene, and the like.

또한 상기 전극 기재(50)는 도 1에 기재된 바와 같이 전극 기재(50)를 친수성 채널(52)이 형성되어 있다. 상기 친수성 채널 이외의 영역는 발수 코팅되어 주로 기체 투과영역으로 사용된다. 상기 채널(52)의 크기는 10 내지 1000 마이크론인 것이 바람직하며, 50 내지 500 마이크론인 것이 더 바람직하다. 상기 채널의 크기가 10 마이크론 미만이면 캐소드 전극에서 발생한 물의 배출에 문제가 있고 1000 마이크론을 초과하면 채널에 위치한 촉매층에 기체전달이 안되어 셀 출력이 감소하는 문제가 있어 바람직하지 않다. 상기 채널의 모양은 원형이 바람직하나, 이에 한정되지 않고 다양한 형상으로 제조될 수 있다. In addition, as shown in FIG. 1, the electrode substrate 50 has a hydrophilic channel 52 formed thereon. Areas other than the hydrophilic channel are water-repellent coated and are mainly used as gas permeable areas. The size of the channel 52 is preferably 10 to 1000 microns, more preferably 50 to 500 microns. If the size of the channel is less than 10 microns, there is a problem in the discharge of water generated from the cathode electrode, if it exceeds 1000 microns is not preferable because there is a problem that the gas output is not delivered to the catalyst layer located in the channel is reduced. The shape of the channel is preferably circular, but is not limited thereto and may be manufactured in various shapes.

상기 전극 기재에서 상기 채널이 차지하는 면적의 총합은 전극 기재의 전체 면적에 대하여 5 내지 50%인 것이 바람직하고, 10 내지 40%인 것이 더 바람직하다. 상기 채널의 총면적이 5% 미만일 경우에는 물의 배출에 문제가 있고 50%를 초과하는 경우에는 전극 기재의 기계적 강도가 저하되어 바람직하지 않다. It is preferable that the sum total of the area which the said channel occupies in the said electrode base material is 5 to 50% with respect to the total area of an electrode base material, and it is more preferable that it is 10 to 40%. If the total area of the channel is less than 5%, there is a problem in the discharge of water, and if it exceeds 50%, the mechanical strength of the electrode substrate is lowered, which is not preferable.

본 발명의 전극 기재는 기재에 채널과 대응되는 형상을 가지는 마스크를 설치한 다음 비극성 물질을 도포한다. 상기 마스크는 채널에 대응되는 형상을 가지는 것이므로 5 내지 50%의 개구율을 가지는 것이 바람직하고 10 내지 40%의 개구율을 가지는 것이 더 바람직하다. 그런 다음 마스크를 제거하고 발수 코팅 처리한다. 상기 비극성 물질이 도포된 영역에는 발수 코팅되지 않고 나머지 영역에만 발수 코팅 처리된다. 상기 비극성 물질을 비극성 용매로 녹여서 제거하여 물 배출용 친수 성 채널이 형성된 전극 기재를 제조한다. 상기 비극성 물질이 제거되기 전 또는 후에 열처리 공정을 실시할 수 있다. 즉 비극성 물질을 용매로 녹여 낸 다음 열처리할 수도 있고 전극 기재를 열처리한 다음 비극성 물질을 용매로 녹여 제거할 수도 있다.The electrode substrate of the present invention is provided with a mask having a shape corresponding to the channel on the substrate and then coated with a nonpolar material. Since the mask has a shape corresponding to the channel, the mask preferably has an opening ratio of 5 to 50%, and more preferably has an opening ratio of 10 to 40%. The mask is then removed and water repellent coated. The water-repellent coating is applied to the non-polar material-coated area, but only to the remaining area. The non-polar material is dissolved by removing the non-polar solvent to prepare an electrode substrate having a hydrophilic channel for discharging water. The heat treatment process may be performed before or after the nonpolar material is removed. That is, the nonpolar material may be dissolved in a solvent and then heat treated, or the electrode substrate may be heat treated, and then the nonpolar material may be dissolved in a solvent and removed.

비극성 물질의 코팅과 발수 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 슬랏다이 코팅, 테이트 코팅 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.Coating of non-polar materials and water repellent coating process can be performed by screen printing, spray coating or doctor blade coating, gravure coating, dip coating, silk screening, painting, slot die coating, or tate coating depending on the viscosity of the composition. Etc. may be used, but is not limited thereto.

상기 비극성 물질은 물 배출용 친수성 채널이 발수 코팅되는 것을 방지하기 위한 캡핑(capping) 물질로 구체적인 예로는 폴리스티렌, 폴리실록산, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플로오라이드, 폴리비닐리덴디플루오라이드, 폴리비닐리덴디플루오라이드-헥사플루오로프로판 공중합체 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The non-polar material is a capping material for preventing the hydrophilic channel for water discharge from being coated with water. Specific examples thereof include polystyrene, polysiloxane, polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polyvinylidene difluoride, and polyvinylidene. Dendifluoride-hexafluoropropane copolymers or mixtures thereof may be used, but is not limited thereto.

상기 비극성 물질을 녹여내기 위한 용매로는 벤젠, 아세톤 N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란, 클로로포름 등의 비극성 용매가 바람직하게 사용될 수 있다. As a solvent for dissolving the nonpolar material, nonpolar solvents such as benzene, acetone N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, and chloroform may be preferably used.

상기 열처리시 열처리 온도는 300 내지 450 도인 것이 바람직하고 열처리 시간은 1 내지 10시간인 것이 바람직하다. 열처리 온도가 450도를 초과하거나 열처리 시간이 10시간을 초과하는 경우에는 발수처리제가 열화되는 문제점이 있고, 열처리 온도가 300도 미만이거나 열처리 시간이 1시간 미만인 경우에는 발수효과가 저해되는 문제점이 있다. In the heat treatment, the heat treatment temperature is preferably 300 to 450 degrees, and the heat treatment time is preferably 1 to 10 hours. If the heat treatment temperature exceeds 450 degrees or the heat treatment time exceeds 10 hours, there is a problem that the water repellent treatment is deteriorated, when the heat treatment temperature is less than 300 degrees or the heat treatment time is less than 1 hour has a problem that the water repellent effect is inhibited. .                     

본 발명의 연료전지용 전극은 상기 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함한다. 상기 촉매층은 관련 반응(수소의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 포함한다. 상기 금속 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매 또는 담체에 담지된 것을 사용할 수 있다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연 등과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있다.The electrode for a fuel cell of the present invention includes a catalyst layer formed on the electrode substrate. The catalyst layer comprises a so-called metal catalyst which catalyzes the relevant reactions (oxidation of hydrogen and reduction of oxygen). The metal catalyst is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M = Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu And at least one transition metal selected from the group consisting of Zn) and those supported on at least one metal catalyst or carrier selected from the group consisting of Zn. As the carrier, carbon such as acetylene black, graphite, or the like may be used, or inorganic fine particles such as alumina or silica may be used.

상기 촉매층은 전극 기재에 촉매를 슬러리 코팅하거나 증착하는 방법으로 형성될 수 있다.The catalyst layer may be formed by slurry coating or depositing a catalyst on an electrode substrate.

상기 촉매층과 전극 기재 사이에 기체 확산 효과를 증진시키기 위하여 미세 기공층을 더 둘 수 있다. 상기 미세 기공층은 기체를 균일하게 촉매층에 공급하고 촉매층에 형성된 전자를 다공성 고분자층에 전달하는 역할을 한다. A fine pore layer may be further provided between the catalyst layer and the electrode substrate to enhance the gas diffusion effect. The microporous layer serves to uniformly supply gas to the catalyst layer and transfer electrons formed in the catalyst layer to the porous polymer layer.

일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 플러렌(fullerene), 카본나노튜브, 카본나노파이버, 카본나노와이어 등과 같은 나노카본, 카본나노혼(carbon nano horn) 또는 카본나노링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. 상기 미세기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 도전성 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는, 에탄올, 이소프로필알코올, 에틸알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.In general, conductive particles having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, and the like It may include a horn or a carbon nano ring (carbon nano ring). The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on a conductive substrate. As the binder resin, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), polyvinyl alcohol, cellulose acetate and the like are preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, ethyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide, dimethyl sulfoxide (DMSO), N- Methylpyrrolidone, tetrahydrofuran and the like can be preferably used. The coating process may be a screen printing method, a spray coating method or a coating method using a doctor blade, a gravure coating method, a dip coating method, a silk screen method, a painting method, etc., depending on the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

연료 전지에서 캐소드 전극 및 애노드 전극은 물질로 구별되는 것이 아니라, 그 역할로 구별되는 것으로서, 연료 전지용 전극은 수소 산화용 애노드 전극 및 산소의 환원용 캐소드 전극으로 구별된다. 따라서, 본 발명의 연료 전지용 전극은 캐소드 전극 및 애노드 전극에 모두 사용가능하며, 바람직하기로 물이 생성되는 캐소드 전극에 적용할 수 있다. In the fuel cell, the cathode electrode and the anode electrode are not distinguished by materials but in their role, and the fuel cell electrode is divided into an anode electrode for hydrogen oxidation and a cathode electrode for reducing oxygen. Therefore, the fuel cell electrode of the present invention can be used for both the cathode electrode and the anode electrode, and preferably can be applied to the cathode electrode where water is generated.

상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 양성자 전도성 고분자 막이 위치하게 하여 막-전극 어셈블리를 제조한다. 상기 고분자 막은 수소이온 전도성을 갖는 고분자라면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 바람직하게는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리설폰계 고분자, 폴리에테르설폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 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.A proton conductive polymer film is positioned between the anode electrode and the cathode electrode to prepare a membrane-electrode assembly. The polymer membrane may be any polymer having a hydrogen ion conductivity, preferably perfluoro-based polymer, benzimidazole-based polymer, polyimide-based polymer, polyetherimide-based polymer, polyphenylene sulfide-based polymer, polysulfide Phone-based polymer, polyethersulfone-based polymer, polyetherketone-based polymer, polyether-etherketone-based polymer, polyphenylquinoxaline-based polymer, etc. may be used, and specific examples thereof include poly (perfluorosulfonic acid) and poly ( Perfluorocarboxylic acid), tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether copolymers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones or poly (2,2 '-(m-phenylene)- Polybenzimidazoles such as 5,5'-bibenzimidazole) (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole)) and poly (2,5-benzimidazole) Can use , And the like. In general, the polymer electrolyte membrane has a thickness of 10 to 200㎛.

연료전지 시스템은 상기 막-전극 접합체를 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 세퍼레이터 사이에 삽입하여 단위 전지를 제조하고, 이를 적층하여 스택을 제조한 후, 이를 두 개의 엔드 플레이트(end plate) 사이에 삽입하여 제조할 수 있다. 연료 전지는 이 분야의 통상의 기술에 의하여 용이하게 제조될 수 있다.The fuel cell system inserts the membrane-electrode assembly between a gas flow channel and a separator having a cooling channel to manufacture a unit cell, stacks the stack, and then inserts the membrane-electrode assembly between two end plates. Can be prepared. Fuel cells can be readily manufactured by conventional techniques in the art.

본 발명에서는 전극 기재에 수분 함습성을 가지는 다공성 물질을 두어 캐소드 전극에서 생성된 물이 고분자 전해질 막과 캐소드 전극 사이에 일정량 존재하게 한다. 통상적인 연료전지는 일정한 정도의 습도가 유지되는 상태에서 작동하기 때문에 적절한 수준으로 습도를 유지해 주는 것이 필요하다. 본 발명에서는 상기 전극 기재가 캐소드 전극에서 발생하는 물을 흡수하여 연료전지용 고분자 전해질막의 습도를 일정하게 유지하는 역할을 하므로, 별도의 가습장치를 필요로 하지 않는 저온 무가습형 연료전지의 개발을 가능하게 한다. In the present invention, a porous material having water-moisture permeability is placed on the electrode substrate so that a certain amount of water generated at the cathode electrode is present between the polymer electrolyte membrane and the cathode electrode. Since conventional fuel cells operate under a certain level of humidity, it is necessary to maintain humidity at an appropriate level. In the present invention, the electrode substrate absorbs water generated from the cathode electrode, thereby maintaining a constant humidity of the polymer electrolyte membrane for a fuel cell, and thus it is possible to develop a low temperature non-humidifying fuel cell that does not require a separate humidifier. Let's do it.

또한 일정량 이상의 물은 전극기재의 채널을 통하여 배출되므로 물에 의하여 기공이 막히는 문제점을 방지할 수 있다.In addition, since a predetermined amount or more of water is discharged through the channel of the electrode base, it is possible to prevent a problem in which pores are blocked by water.

본 발명에 따른 연료전지용 전극은 모든 연료전지 시스템에 적용가능하며, 특히 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC)와 직접 메탄올 전지(DMFC)에 바람직하게 적용될 수 있다.The electrode for fuel cells according to the present invention is applicable to all fuel cell systems, and is particularly preferably applied to polymer electrolyte fuel cells (PEMFC) and direct methanol cells (DMFC).

도 2는 연료전지 스택을 나타내는 분해 사시도이다. 도 2를 참조하면, 연료전지 스택(11)은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA, 12)와 이의 양면에 밀착하는 세퍼레이터(16)로 이루어진 단위 셀이 복수개 적층되어 전기적으로 직렬 접속된 형태로 이루어진다. 상기 막-전극 어셈블리(12)는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가지며, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 고분자 전해질막과 접촉 형성된 촉매층과, 상기 촉매층과 접촉 형성된 기체 확산층(Gas diffusion layer; GDL)으로 구성된다. 또한, 상기 세퍼레이터(16)는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 기체 유로가 형성된다. 스택(11)의 최외측에 각각 위치하는 세퍼레이터(16)는 엔드 플레이트(13)로 정의할 수 있다.2 is an exploded perspective view showing a fuel cell stack. Referring to FIG. 2, the fuel cell stack 11 is formed by stacking a plurality of unit cells including a membrane electrode assembly (MEA) 12 and a separator 16 that adheres to both surfaces thereof and is electrically connected in series. Is made of. The membrane-electrode assembly 12 is bonded between an anode electrode (also called a "fuel electrode" or an "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. The anode electrode and the cathode electrode are composed of a catalyst layer formed in contact with the polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer (GDL) formed in contact with the catalyst layer. In addition, the separator 16 forms a gas flow path for supplying fuel required for the reaction of the fuel cell to the anode electrode and for supplying oxygen to the cathode electrode. The separators 16 located at the outermost side of the stack 11 may be defined as end plates 13.

도 3은 애노드 전극(3), 캐소드 전극(5), 및 고분자 전해질 막(7)을 포함하는 연료전지(1)의 작동상태를 개략적으로 보인 도면이다. 상기 애노드 전극(3) 또는 캐소드 전극(5)로 본 발명의 전극이 사용될 수 있다. 도 3을 참조하면, 세퍼레이터를 통해 애노드 전극(3)에는 수소 또는 연료가 공급되는 반면, 캐소드 전극(5)에는 산화제가 공급된다. 상기 산화제로는 공기 또는 산소가 사용될 수 있다. 이 과정에서 애노드 전극(3)에서는 수소 또는 연료의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극(5)에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다. FIG. 3 is a schematic view showing an operating state of a fuel cell 1 including an anode electrode 3, a cathode electrode 5, and a polymer electrolyte membrane 7. The electrode of the present invention can be used as the anode electrode 3 or the cathode electrode 5. Referring to FIG. 3, hydrogen or fuel is supplied to the anode electrode 3 through the separator, while an oxidant is supplied to the cathode electrode 5. Air or oxygen may be used as the oxidant. In this process, an oxidation reaction of hydrogen or fuel occurs at the anode electrode 3, and a reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode 5. At this time, electricity is generated due to the movement of electrons, and heat and moisture are incidentally generated. Generate.                     

도 4는 본 발명의 전극을 포함하는 연료전지 시스템의 일 예를 나타낸 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 연료전지 시스템은 a) i) 전술한 바의 기체 확산층과 촉매층을 구비하는 한쌍의 전극과, 상기 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 어셈블리(100); 및 ii) 상기 막-전극 어셈블리(100)의 양측면에 위치하는 세퍼레이터(101, 101')를 포함하는 전기발생부(110); 연료공급부(120); 및 산화제 공급부(130)를 포함한다.4 is a configuration diagram showing an example of a fuel cell system including an electrode of the present invention. Referring to FIG. 4, the fuel cell system of the present invention includes a) i) a membrane-electrode assembly 100 including a pair of electrodes having a gas diffusion layer and a catalyst layer as described above, and a polymer electrolyte membrane positioned between the electrodes. ; And ii) a separator (101, 101 ') positioned at both sides of the membrane-electrode assembly (100); A fuel supply unit 120; And an oxidant supply unit 130.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1) (Example 1)

탄소페이퍼(BA30, SGL사)에 500 마이크론의 지름을 가지는 개구부가 30%의 개구율로 형성된 마스크를 덮은 후 비극성 물질로 5 중량% 폴리스티렌을 함유하는 아세톤 용액을 스크린 프린팅 법으로 도포하였다. 그런 다음 마스크를 제거하고 폴리테트라플루오로에틸렌 용액에 담그어 상기 폴리스티렌이 도포된 영역 이외의 영역을 발수 코팅 처리하였다. 상기 폴리스티렌이 도포된 전극 기재를 아세톤으로 녹여낸 다음 350도에서 5시간 열처리하여 물 배출용 친수성 채널이 형성된 전극 기재를 제조하였다.An acetone solution containing 5% by weight of polystyrene as a nonpolar material was applied to the carbon paper (BA30, SGL) by covering a mask having an opening having a diameter of 500 microns at an opening ratio of 30%. The mask was then removed and immersed in a polytetrafluoroethylene solution to water repellent coating on areas other than the polystyrene applied areas. The electrode substrate coated with polystyrene was dissolved in acetone and heat-treated at 350 ° C. for 5 hours to prepare an electrode substrate having a hydrophilic channel for water discharge.

상기 전극 기재에 백금이 담지된 카본분말(Pt/C, 백금 담지량 : 20wt%) 20 중량부, 나피온(DuPont 사 제품) 10 중량부 및 물 70 중량부를 혼합하여 촉매층 형성용 코팅 조성물을 제조한 다음, 상기 전극 기재에 코팅하여 전극을 제조하였다. A coating composition for forming a catalyst layer was prepared by mixing 20 parts by weight of carbon powder (Pt / C, platinum supporting amount: 20wt%), 10 parts by weight of Nafion (manufactured by DuPont) and 70 parts by weight of water on the electrode substrate. Next, an electrode was prepared by coating the electrode substrate.                     

상기 제조된 전극을 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 하여 그 사이에 나피온(DuPont 사 제품) 고분자 막을 놓고 120 ??에서 1 분간 소성한 후 열간압연하여 막/전극 어셈블리(MEA)를 제조하였다. 상기 제조된 막/전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.The prepared electrode was used as an anode electrode and a cathode electrode, and a Nafion (manufactured by DuPont) polymer membrane was placed therebetween, fired at 120 ° C. for 1 minute, and hot rolled to prepare a membrane / electrode assembly (MEA). The prepared membrane / electrode assembly is inserted between two gaskets, and then inserted into two separators in which a gas channel and a cooling channel of a predetermined shape are formed, and then the unit cell is compressed between copper end plates. Prepared.

(실시예 2) (Example 2)

마스크의 지름을 250 마이크론의 개구부가 30%의 개구율로 형성된 마스크를사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 제조한 후 단위전지를 제조하였다.A unit cell was manufactured after the electrode was manufactured in the same manner as in Example 1 except that a mask having a diameter of 250 microns having an opening of 30% with a diameter of the mask was used.

(실시예 3) (Example 3)

마스크의 지름을 500 마이크론의 개구부가 50%의 개구율로 형성된 마스크를사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 제조한 후 단위전지를 제조하였다.A unit cell was manufactured after the electrode was manufactured in the same manner as in Example 1 except that a mask having a diameter of 500 microns having a 50% opening ratio was used.

(실시예 4) (Example 4)

비극성 물질로 폴리스티렌 대신 폴리비닐클로라이드를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 제조한 후 단위전지를 제조하였다.Except for using polyvinyl chloride instead of polystyrene as a non-polar material, an electrode was manufactured in the same manner as in Example 1, and then a unit cell was prepared.

(비교예 1)  (Comparative Example 1)

탄소페이퍼(BA30, SGL사)에 마스크를 사용하지 않고, 폴리테트라플루오로에틸렌 용액에 담그어 상기 비극성 물질이 도포된 영역 이외의 영역을 발수 코팅 처 리하였다. 상기 비극성 물질이 도포된 전극 기재를 아세톤으로 녹여낸 다음 350도에서 5시간 열처리하여 물 배출용 친수성 채널이 형성된 전극 기재를 제조하였다.The carbon paper (BA30, SGL Co., Ltd.), without using a mask, was immersed in a polytetrafluoroethylene solution and subjected to a water repellent coating except for the region where the nonpolar material was applied. The electrode substrate coated with the non-polar material was dissolved in acetone, and then heat-treated at 350 ° C. for 5 hours to prepare an electrode substrate having a hydrophilic channel for water discharge.

상기 전극 기재에 백금이 담지된 카본분말(Pt/C, 백금 담지량 : 20wt%) 20 중량부, Nafion 10 중량부 및 물 70 중량부를 혼합하여 촉매층 형성용 코팅 조성물을 제조한 다음, 상기 전극 기재에 코팅하여 전극을 제조하였다. 20 parts by weight of carbon powder (Pt / C, platinum supporting amount: 20wt%), 10 parts by weight of Nafion and 70 parts by weight of water were mixed on the electrode substrate to prepare a coating composition for forming a catalyst layer. The electrode was prepared by coating.

상기 제조된 전극을 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 하여 그 사이에 나피온(DuPont 사 제품) 고분자 막을 놓고 120 ??에서 1 분간 소성한 후 열간압연하여 막/전극 어셈블리(MEA)를 제조하였다. 상기 제조된 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.The prepared electrode was used as an anode electrode and a cathode electrode, and a Nafion (manufactured by DuPont) polymer membrane was placed therebetween, fired at 120 ° C. for 1 minute, and hot rolled to prepare a membrane / electrode assembly (MEA). The prepared membrane-electrode assembly is inserted between two gaskets, and then inserted into two separators in which a gas flow channel and a cooling channel of a predetermined shape are formed, and then a unit cell is compressed between copper end plates. Prepared.

60도의 온도, 상압에서 수소와 공기를 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 단위 셀에 유입하여 전류밀도와 전압을 측정하였다. 그 결과를 도 5에 도시하였다. 도 5에 나타난 바와 같이 친수성 채널이 형성된 경우가 친수성 채널이 형성되지 않은 경우에 비해 낮은 전압에서 높은 전류밀도를 나타냄을 확인할 수 있었다. 캐소드 전극에서 생성된 수분이 친수성 채널을 통하여 용이하게 배출되어 물막힘(water flooding)을 일으키지 않기 때문이다. Hydrogen and air were introduced into the unit cells of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 at a temperature of 60 ° C. and atmospheric pressure to measure current density and voltage. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 5, the hydrophilic channel formed showed a higher current density at a lower voltage than the hydrophilic channel formed. This is because moisture generated at the cathode electrode is easily discharged through the hydrophilic channel and does not cause water flooding.

한편 실시예 1과 실시예 2를 비교하면 채널의 크기가 클수록 고전류밀도 영역에서 유리함을 알 수 있다. 이는 고전류밀도 영역에서는 캐소드 전극에서의 수분 발생량이 많아 물 막힘에 의한 성능저하가 심각하므로 친수성 채널의 크기가 클수 록 물막힘 현상을 막을 수 있어 높은 출력을 얻을 수 있다. 같은 이유로 실시예 1과 실시예 3의 비교에서 높은 친수성 채널의 면적을 가지는 실시예 3이 실시예 1에 비해 고전류밀도 영역에서 높은 전류밀도를 나타낸다. On the other hand, comparing Example 1 and Example 2, it can be seen that the larger the channel size is advantageous in the high current density region. In the high current density region, since a large amount of water is generated in the cathode electrode, the performance decrease due to the water clogging is serious, so that the larger the size of the hydrophilic channel, the larger the size of the hydrophilic channel can be. For the same reason, Example 3, which has a high hydrophilic channel area in the comparison between Example 1 and Example 3, exhibits a higher current density in the higher current density region than Example 1.

본 발명에서는 전극 기재에 친수성 채널을 두어 캐소드 전극에서 발생하는 물을 용이하게 배출하여 물에 의하여 기공이 막히는 현상을 방지할 수 있다. 이로써 기체의 확산이 원활하게 이루어지므로 높은 전류밀도에서 높은 출력밀도를 얻을 수 있다.In the present invention, by placing a hydrophilic channel on the electrode substrate to easily discharge the water generated from the cathode electrode can prevent the phenomenon of pores clogged by water. As a result, since gas is smoothly diffused, high output density can be obtained at high current density.

Claims (20)

촉매층과 상기 촉매층을 지지하는 전극 기재를 포함하고, A catalyst layer and an electrode substrate for supporting the catalyst layer, 상기 전극 기재는 물을 배출시키는 친수성 채널이 형성되어 있고, 상기 친수성 채널을 제외한 영역은 발수성 고분자로 코팅되어 있는 것인 연료전지용 전극.The electrode substrate is a fuel cell electrode that is formed with a hydrophilic channel for discharging water, the region excluding the hydrophilic channel is coated with a water-repellent polymer. 제1항에 있어서, 상기 전극 기재는 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 천(carbon cloth) 및 카본 펠트(carbon felt)로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 전극.The electrode of claim 1, wherein the electrode substrate is selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, and carbon felt. 제1항에 있어서, 상기 전극 기재에서 채널이 차지하는 전체 면적은 전체 전극기재의 면적에 대하여 5 내지 50%인 연료전지용 전극.The fuel cell electrode of claim 1, wherein a total area of the channel in the electrode substrate is 5 to 50% of the total area of the electrode substrate. 제1항에 있어서, 상기 채널의 크기는 10 내지 1000 마이크론인 연료전지용 전극.The fuel cell electrode of claim 1, wherein the channel has a size of 10 to 1000 microns. 제4항에 있어서, 상기 채널의 크기는 50 내지 500 마이크론인 연료전지용 전극.The electrode of claim 4, wherein the channel has a size of 50 to 500 microns. 제1항에 있어서, 상기 전극 기재는 기재에 채널과 대응되는 형상을 가지는 마스크를 설치한 후 비극성 물질을 도포하고;The method of claim 1, wherein the electrode substrate is coated with a nonpolar material after installing a mask having a shape corresponding to the channel on the substrate; 상기 마스크를 제거하고 발수 코팅 처리하여 상기 비극성 물질이 도포된 영역 이외의 영역에 발수 코팅 처리하고;Removing the mask and subjecting the water repellent coating to a water repellent coating on an area other than the area where the nonpolar material is applied; 상기 비극성 물질을 용매로 녹여 제거하는 Dissolving and removing the non-polar material with a solvent 공정에 의하여 제조되는 것인 연료전지용 전극.An electrode for a fuel cell produced by the process. 제6항에 있어서, 상기 비극성 물질은 폴리스티렌, 폴리실록산, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플로오라이드, 폴리비닐리덴디플루오라이드, 폴리비닐리덴디플루오라이드-헥사플루오로프로판 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 전극.7. The non-polar material of claim 6, wherein the nonpolar material consists of polystyrene, polysiloxane, polyvinylchloride, polyvinyl fluoride, polyvinylidenedifluoride, polyvinylidenedifluoride-hexafluoropropane copolymer and mixtures thereof. The electrode for a fuel cell is selected from the group. 제6항에 있어서, 상기 용매는 벤젠, 아세톤 N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란, 클로로포름 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 전극.The electrode of claim 6, wherein the solvent is selected from the group consisting of benzene, acetone N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, chloroform, and mixtures thereof. 제6항에 있어서, 상기 비극성 물질의 제거공정 전 또는 후에 열처리 공정을 추가로 실시하는 공정에 의하여 제조되는 것인 연료전지용 전극. 7. The fuel cell electrode according to claim 6, wherein the fuel cell electrode is manufactured by a step of additionally performing a heat treatment step before or after removing the non-polar material. 제1항 내지 제9항에 따른 전극을 애노드 전극 또는 캐소드 전극 중 적어도 하나로 사용하고 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 고분자 전해질 막이 개재 된 막-전극 어셈블리.A membrane-electrode assembly using an electrode according to claims 1 to 9 as at least one of an anode electrode and a cathode electrode, and having a polymer electrolyte membrane interposed between the anode electrode and the cathode electrode. 촉매층과 상기 촉매층을 지지하는 전극 기재를 포함하고, 상기 전극 기재는 물을 배출시키는 친수성 채널이 형성되어 있고, 상기 친수성 채널을 제외한 영역은 발수성 고분자로 코팅되어 있는 것인 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리; 및 상기 막-전극 어셈블리의 양측면에 위치하는 기체 유로가 구비된 세퍼레이터를 포함하는 전기발생부; A membrane comprising a catalyst layer and an electrode substrate for supporting the catalyst layer, wherein the electrode substrate is formed with a hydrophilic channel for discharging water, and the region except for the hydrophilic channel is coated with a water repellent polymer. Electrode assembly; And a separator including gas flow paths positioned at both sides of the membrane electrode assembly. 연료공급부; 및 A fuel supply unit; And 산화제 공급부Oxidant supply 를 포함하는 연료전지 시스템.Fuel cell system comprising a. 제11항에 있어서, 상기 전극 기재는 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 천(carbon cloth) 및 카본 펠트(carbon felt)로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지 시스템.12. The fuel cell system of claim 11, wherein the electrode substrate is selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, and carbon felt. 제11항에 있어서, 상기 전극 기재에서 채널이 차지하는 전체 면적은 전체 전극기재의 면적에 대하여 5 내지 50%인 연료전지 시스템.The fuel cell system as claimed in claim 11, wherein the total area occupied by the channel in the electrode substrate is 5 to 50% of the total area of the electrode substrate. 제11항에 있어서, 상기 채널의 크기는 10 내지 1000 마이크론인 연료전지 시스템.The fuel cell system of claim 11, wherein the channel has a size of 10 to 1000 microns. 제14항에 있어서, 상기 채널의 크기는 50 내지 500 마이크론 연료전지 시스템.15. The fuel cell system of claim 14, wherein the channel size is between 50 and 500 microns. 제11항에 있어서, 상기 전극 기재는 기재에 채널과 대응되는 형상을 가지는 마스크를 설치한 후 비극성 물질을 도포하고;The method of claim 11, wherein the electrode substrate is coated with a nonpolar material after installing a mask having a shape corresponding to the channel on the substrate; 상기 마스크를 제거하고 발수 코팅 처리하여 상기 비극성 물질이 도포된 영역 이외의 영역에 발수 코팅 처리하고;Removing the mask and subjecting the water repellent coating to a water repellent coating on an area other than the area where the nonpolar material is applied; 상기 비극성 물질을 용매로 녹여 제거하는 Dissolving and removing the non-polar material with a solvent 공정에 의하여 제조되는 것인 연료전지 시스템.A fuel cell system produced by the process. 제16항에 있어서, 상기 비극성 물질은 폴리스티렌, 폴리실록산, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플로오라이드, 폴리비닐리덴디플루오라이드, 폴리비닐리덴디플루오라이드-헥사플루오로프로판 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지 시스템.17. The method of claim 16, wherein the nonpolar material comprises polystyrene, polysiloxane, polyvinylchloride, polyvinyl fluoride, polyvinylidenedifluoride, polyvinylidenedifluoride-hexafluoropropane copolymer and mixtures thereof The fuel cell system selected from the group. 제16항에 있어서, 상기 비극성 용매는 벤젠, 아세톤 N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란, 클로로포름 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지 시스템.17. The fuel cell system of claim 16, wherein the nonpolar solvent is selected from the group consisting of benzene, acetone N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, chloroform and mixtures thereof. 제16항에 있어서, 상기 비극성 물질의 제거공정 전 또는 후에 열처리 공정을 추가로 실시하는 공정에 의하여 전극 기재를 포함하는 것인 연료전지 시스템. 17. The fuel cell system according to claim 16, further comprising an electrode substrate by a step of further performing a heat treatment step before or after the removal of the nonpolar material. 제11항에 있어서, 상기 전극은 캐소드 전극인 연료전지 시스템.The fuel cell system of claim 11, wherein the electrode is a cathode electrode.
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