KR20090034147A - Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same - Google Patents

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Abstract

A membrane-electrode assembly for a fuel cell is provided to show high power by increasing the diffusion of reactants, because the average pore size from a polymer electrolyte membrane to the direction of an electrode substrate increases but a cathode catalyst layer reduces the average pore size. A membrane-electrode assembly for a fuel cell comprises an anode electrode(22) including an anode electrode substrate(224) and an anode catalyst layer(222) formed on the anode electrode substrate; a cathode electrode(24) including a cathode electrode material(244) and a cathode catalyst layer(242) formed on the cathode electrode material; and a polymeric electrolyte membrane(20) positioned between the anode electrode and cathode electrode. The anode catalyst layer has the increased average pore size from the first surface contacting with the polymeric electrolyte membrane to the second surface contacting with the anode electrode substrate. The cathode catalyst layer has the reduced average pore size from the third surface contacting with the polymeric electrolyte membrane to the forth surface contacting with the cathode electrode substrate.

Description

연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same {MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응물의 이동이 용이하여, 고출력을 나타낼 수 있는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell membrane-electrode assembly and a fuel cell system including the same. More particularly, the present invention relates to a fuel cell system capable of easily moving a reactant and exhibiting high power.

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. 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.

이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a device.

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 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but it is easy to handle fuel and has a low operating temperature, so that it can be operated at room temperature, in particular, it does not require a fuel reformer.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, “연료극” 또는 “산화 전극”이라 한다)과 캐소드 전극(일명 “공기극” 또는 “환원 전극”이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.In such fuel cell systems, the stack that substantially generates electricity comprises several unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a structure laminated to several tens. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called a “fuel electrode” or an “oxidation electrode”) and a cathode electrode (also called “air electrode” or “reduction electrode”) with a polymer electrolyte membrane containing a hydrogen ion conductive polymer therebetween. ) Is located.

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.The principle of generating electricity in a fuel cell is that fuel is supplied to an anode electrode, which is a fuel electrode, adsorbed to a catalyst of the anode electrode, and the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. Reaching the cathode electrode, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode electrode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode to generate electricity while producing water.

본 발명의 목적은 반응물의 확산이 용이한 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell that facilitates diffusion of reactants.

본 발명의 다른 목적은 고출력을 나타낼 수 있는 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a direct oxidation fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly capable of exhibiting high power.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 애노드 전극 기재 및 이 애노드 전극 기재에 형성된 애노드 촉매층을 포함하는 애노드 전극; 캐소드 전극 기재 및 이 캐소드 전극 기재에 형성된 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다. 상기 애노드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1 표면에서 상기 애노드 전극 기재에 접하는 제2 표면으로 갈수록 평균 기공도가 증가하고, 상기 캐소드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제3 표면에서 상기 캐소드 전극 기재에 접하는 제4 표면으로 갈수록 평균 기공도가 감소하는 구성을 갖는다.In order to achieve the above object, the present invention is an anode electrode comprising an anode electrode substrate and an anode catalyst layer formed on the anode electrode substrate; A cathode electrode comprising a cathode electrode substrate and a cathode catalyst layer formed on the cathode electrode substrate; And it provides a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode. The anode catalyst layer increases in average porosity from the first surface in contact with the polymer electrolyte membrane to the second surface in contact with the anode electrode substrate, and the cathode catalyst layer is formed on the cathode electrode substrate at the third surface in contact with the polymer electrolyte membrane. The average porosity decreases toward the fourth surface in contact with the fourth surface.

본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 하며, 상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할 을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지(direct oxidation fuel cell) 시스템이 더욱 바람직하다.The present invention also provides a fuel cell system including an electricity generation unit including the membrane-electrode assembly and the separator, a fuel supply unit, and an oxidant supply unit. The electricity generation unit serves to generate electricity through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, the fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit supplies an oxidant to the electricity generation unit. It plays a role. In the present invention, the fuel cell system is more preferably a direct oxidation fuel cell system.

본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 애노드 촉매층은 고분자 전해질 막으로부터 전극 기재 방향으로 평균 기공도를 증가시키고, 캐소드 촉매층은 평균 기공도를 감소시켜 반응물의 확산을 증가시킬 수 있어 고출력을 나타내는 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.In the fuel cell membrane-electrode assembly of the present invention, the anode catalyst layer increases the average porosity from the polymer electrolyte membrane toward the electrode substrate, and the cathode catalyst layer decreases the average porosity to increase the diffusion of the reactants, thereby exhibiting a high output fuel cell. A system can be provided.

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

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 반응물의 확산을 개선할 수 있는 구조를 갖는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell membrane electrode assembly, and more particularly to a fuel cell membrane electrode assembly having a structure capable of improving the diffusion of reactants.

본 발명의 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과, 이 고분자 전해질 막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함한다.The membrane-electrode assembly of the present invention includes a polymer electrolyte membrane and anode and cathode electrodes located on both sides of the polymer electrolyte membrane.

상기 애노드 전극은 애노드 전극 기재 및 이 애노드 전극 기재에 형성된 애노드 촉매층을 포함하고, 상기 캐소드 전극은 캐소드 전극 기재 및 이 캐소드 전극 기재에 형성된 캐소드 촉매층을 포함한다. 이때, 상기 애노드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1 표면에서 상기 애노드 전극 기재에 접하는 제2 표면으로 갈수록 평균 기공도가 증가하고, 상기 캐소드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제3 표면에서 상기 캐소드 전극 기재에 접하는 제4 표면으로 갈수록 평 균 기공도가 감소하는 구성을 갖는다.The anode electrode includes an anode electrode substrate and an anode catalyst layer formed on the anode electrode substrate, and the cathode electrode includes a cathode electrode substrate and a cathode catalyst layer formed on the cathode electrode substrate. In this case, the anode catalyst layer increases in average porosity from the first surface in contact with the polymer electrolyte membrane to the second surface in contact with the anode electrode substrate, and the cathode catalyst layer is the cathode on the third surface in contact with the polymer electrolyte membrane The average porosity decreases toward the fourth surface in contact with the electrode substrate.

본 발명에서 애노드 촉매층의 평균 기공도는 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1 표면에서는 10 내지 40%가 바람직하고, 10 내지 20%가 더욱 바람직하다. 또한, 상기 전극 기재와 접하는 제2 표면에서는 60 내지 80%가 바람직하고, 65 내지 75%가 더욱 바람직하다.In the present invention, the average porosity of the anode catalyst layer is preferably 10 to 40%, more preferably 10 to 20% on the first surface in contact with the polymer electrolyte membrane. Moreover, in the 2nd surface which contact | connects the said electrode base material, 60 to 80% is preferable and 65 to 75% is more preferable.

본 발명에서 캐소드 촉매층의 평균 기공도는 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제3 표면에서는 40 내지 65%가 바람직하고, 50 내지 60%가 더욱 바람직하다. 또한, 상기 캐소드 전극 기재와 접하는 제4 표면에서는 5 내지 30%가 바람직하고, 10 내지 20%가 더욱 바람직하다.In the present invention, the average porosity of the cathode catalyst layer is preferably 40 to 65%, more preferably 50 to 60% on the third surface in contact with the polymer electrolyte membrane. In addition, 5 to 30% is preferable and, as for the 4th surface which contact | connects the said cathode electrode base material, 10 to 20% is more preferable.

본 발명에서 촉매층의 기공도를 상기와 같이 조절하는 것은 촉매층 제조시 사용되는 조성물의 농도를 변화시키며 형성하는 등, 다양한 방법으로 조절할 수 있다.In the present invention, adjusting the porosity of the catalyst layer as described above may be controlled by various methods such as changing and forming the concentration of the composition used in preparing the catalyst layer.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 도 1에 개략적으로 나타내었다. 이와 같이 애노드 전극(22)은 애노드 촉매층(222)의 평균 기공도가 고분자 전해질 막(20)에서 전극 기재(224) 쪽으로 갈수록 증가하므로 연료의 확산이 용이하다. 또한 캐소드 전극(24)은 캐소드 촉매층(242)의 평균 기공도가 고분자 전해질 막(20)에서 전극 기재(244) 쪽으로 갈수록 감소하므로, 연료 전지 작동시 캐소드 전극의 고분자 전해질 막과의 계면에서 발생되는 수증기가 밖으로 빨리 배출될 수 있다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention having such a configuration is schematically shown in FIG. As described above, since the average porosity of the anode catalyst layer 222 increases from the polymer electrolyte membrane 20 toward the electrode substrate 224, fuel diffusion is easy. In addition, since the average porosity of the cathode catalyst layer 242 decreases from the polymer electrolyte membrane 20 toward the electrode substrate 244 toward the electrode substrate 244, the cathode electrode 24 is generated at the interface with the polymer electrolyte membrane of the cathode electrode during operation of the fuel cell. Water vapor can be exhausted out quickly.

따라서, 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 연료가 애노드 촉매층으 로 접근이 용이하며(accessibility), 또한 캐소드 촉매층에서 생성되는 물을 빨리 배출시킬 수 있어 고출력을 나타내는 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.Accordingly, the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention can provide a fuel cell system exhibiting high output since fuel is easily accessible to the anode catalyst layer and can quickly discharge water generated in the cathode catalyst layer. .

본 발명에서, 상기 촉매층에서 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 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 및 Ru으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 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.In the present invention, as the catalyst in the catalyst layer may participate in the reaction of the fuel cell, any one that can be used as a catalyst may be used, a representative example may use a platinum-based catalyst. The platinum-based catalyst may be platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, At least one catalyst selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh and Ru). Specific examples include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / Ru One or more selected from the group consisting of / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, and Pt / Ru / Sn / W can be used.

또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 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. In addition, such a metal catalyst may be used as the metal catalyst (black) itself, or may be supported on a carrier. As the carrier, carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs or activated carbon may be used, or alumina, silica, zirconia, Inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. The catalyst layer may further include a binder resin for improving the adhesion of the catalyst layer and the transfer of hydrogen ions.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것 이 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 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 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. It is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder resin, more preferably a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain. All the polymer resin which has a can be used. Preferably, 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 One or more hydrogen ion conductive polymers selected from ether ketone polymers or polyphenylquinoxaline polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly [2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenziimi Dozol] (poly [2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole]) or poly (2,5-benzimidazole) comprising at least one hydrogen ion conductive polymer selected from Can .

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, 테트라부틸암모늄을 사용하는 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.The hydrogen ion conductive polymer may replace H with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in an ion exchange group at the side chain end. In case of replacing H by Na in the ion-exchange group of the side chain terminal, NaOH is substituted in the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is used in the case of using tetrabutylammonium, and K, Li or Cs is also substituted with appropriate compounds. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

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.The binder resin may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used with a nonconductive polymer for the purpose of further improving adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the usage-amount so that it may be suitable for a purpose of use.

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.Examples of the nonconductive polymer include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / tetrafluoro Ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dode At least one selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid and sorbitol is more preferred.

상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천((섬유 상태의 금속으로구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrate plays a role of supporting the electrode and diffuses the fuel and the oxidant to the catalyst layer, thereby serving to easily access the fuel and the oxidant to the catalyst layer. The electrode substrate is a conductive substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth ((porous film or polymer fiber composed of metal in a fibrous state). The metal film is formed on the surface of the cloth formed of (referred to as a metalized polymer fiber) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테 르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다. In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material because it can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, and fluorinated ethylene Fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene or copolymers thereof can be used.

또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. In addition, a microporous layer may be further included to enhance the reactant diffusion effect in the electrode substrate. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. The binder resin may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate Or these copolymers etc. can be used preferably. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. may be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

본 발명에서, 상기 고분자 전해질 막으로는 일반적으로 연료 전지에서 고분 자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. In the present invention, the polymer electrolyte membrane is generally used as a polymer electrolyte membrane in a fuel cell, and any one made of a polymer resin having hydrogen ion conductivity may be used. Representative examples thereof include a polymer resin 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 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 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 이상을 들 수 있다. Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone It may include one or more selected from polymers, polyether-etherketone-based polymers or polyphenylquinoxaline-based polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid) (generally marketed as Nafion), poly (Perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly [2,2 '-(m-phenylene) At least one selected from -5,5'-bibenzimidazole] (poly [2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole]) or poly (2,5-benzimidazole) Can be mentioned.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 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.In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, H may be substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium. In case of replacing H by Na in the ion-exchange group of the side chain terminal, NaOH is substituted in the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is used in the case of using tetrabutylammonium, and K, Li or Cs is also substituted with appropriate compounds. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)에 모두 적용될 수 있으나, 직접 산화형 연료 전지에 보다 바람직하게 적용될 수 있다. The membrane-electrode assembly of the present invention can be applied to both a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (PEMFC), but is more preferably applied to a direct oxidation fuel cell. Can be.

본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.The fuel cell system of the present invention comprising the membrane-electrode assembly of the present invention includes at least one electricity generator, a fuel supply and an oxidant supply.

상기 전기 발생부는 본 발명의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating portion includes the membrane-electrode assembly and separator (also called bipolar plate) of the present invention. The electricity generation unit serves to generate electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant.

상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant such as oxygen or air to the electricity generation unit.

본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있으며, 본 발명은 직접 산화형 연료 전지에 보다 적합하므로 탄화수소 연료가 보다 바람직하다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.In the present invention, the fuel may include a hydrogen or hydrocarbon fuel in gaseous or liquid state, and the hydrocarbon fuel is more preferable because the present invention is more suitable for the direct oxidation fuel cell. Representative examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.A schematic structure of the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. 2, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 2 shows a system for supplying fuel and oxidant to an electric generator using a pump, the fuel cell system of the present invention is not limited to such a structure, and a fuel cell using a diffusion method without using a pump. Of course, it can also be used for system architecture.

본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(7)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 1 of the present invention includes at least one electricity generation unit 3 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, a fuel supply unit 5 for supplying the fuel, And an oxidant supply unit 7 for supplying an oxidant to the electricity generation unit 3.

또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.In addition, the fuel supply unit 5 for supplying the fuel may include a fuel tank 9 storing fuel and a fuel pump 11 connected to the fuel tank 9. The fuel pump 11 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 9 by a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.The oxidant supply unit 7 for supplying the oxidant to the electricity generating unit 3 includes at least one oxidant pump 13 for sucking the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(19,19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(17)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다. The electricity generator 3 is composed of a membrane-electrode assembly 17 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant, and a separator 19 and 19 'for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly. At least one of these electricity generating units 17 constitutes a stack 15.

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

(실시예 1)(Example 1)

Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 애노드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 애노드 전극 촉매층의 제2 표면의 평균 기공도는 75%가 되고, 이 제2 표면과 대향하는 촉매층의 제1 표면의 평균 기공도는 20%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 애노드 전극을 제조하였다.An anode electrode was prepared by applying an anode catalyst composition mixed with a Pt-Ru black catalyst (Johnson Matthey) and a binder at a concentration of 5 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) to a carbon paper electrode substrate. It was. At this time, the average porosity of the second surface of the anode electrode catalyst layer in contact with the carbon paper electrode substrate is 75%, and the average porosity of the first surface of the catalyst layer opposite to the second surface is 20%, While adjusting the concentration, the application process was repeated several times to produce an anode electrode.

Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 캐소드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 캐소드 전극 촉매층의 제4 표면의 평균 기공도는 20%가 되고, 이 제4 표면과 대향하는 촉매층의 제3 표면의 평균 기공도는 60%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 캐소드 전극을 제조하였다.Cathode electrodes were prepared by applying a cathode catalyst composition mixed with a Pt black catalyst (Johnson Matthey) and Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) at a concentration of 5 wt% to a carbon paper electrode substrate. At this time, the average porosity of the fourth surface of the cathode electrode catalyst layer in contact with the carbonaceous electrode substrate is 20%, and the average porosity of the third surface of the catalyst layer facing the fourth surface is 60%, While adjusting the concentration, the coating process was repeated several times to prepare a cathode electrode.

상기 애노드 전극의 제1 표면 및 캐소드 전극의 제3 표면과 접하도록 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 위치시켜 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이 막-전극 어셈블리로 단위 전지를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared by placing a Nafion 115 (perfluorosulfonic acid) polymer electrolyte membrane between the anode electrode and the cathode electrode so as to contact the first surface of the anode electrode and the third surface of the cathode electrode. The unit cell was prepared by the assembly.

(실시예 2)(Example 2)

Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 애노드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 애노드 전극 촉매층의 제2 표면의 평균 기공도는 65%가 되고, 이 제2 표면과 대향하는 촉매층의 제1 표면의 평균 기공도는 10%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 애노드 전극을 제조하였다.An anode electrode was prepared by applying an anode catalyst composition mixed with a Pt-Ru black catalyst (Johnson Matthey) and a binder at a concentration of 5 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) to a carbon paper electrode substrate. It was. At this time, the average porosity of the second surface of the anode electrode catalyst layer in contact with the carbon paper electrode substrate is 65%, and the average porosity of the first surface of the catalyst layer opposite to the second surface is 10%. While adjusting the concentration, the application process was repeated several times to produce an anode electrode.

Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 캐소드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 캐소드 전극 촉매층의 제4 표면의 평균 기공도는 10%가 되고, 이 제4 표면과 대향하는 촉매층의 제3 표면의 평균 기공도는 50%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 캐소드 전극을 제조하였다.Cathode electrodes were prepared by applying a cathode catalyst composition mixed with a Pt black catalyst (Johnson Matthey) and Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) at a concentration of 5 wt% to a carbon paper electrode substrate. At this time, the average porosity of the fourth surface of the cathode electrode catalyst layer in contact with the carbonaceous electrode substrate is 10%, and the average porosity of the third surface of the catalyst layer facing the fourth surface is 50%, While adjusting the concentration, the coating process was repeated several times to prepare a cathode electrode.

상기 애노드 전극의 제1 표면 및 캐소드 전극의 제3 표면과 접하도록 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 위치시켜 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이 막-전극 어셈블리로 단위 전지를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared by placing a Nafion 115 (perfluorosulfonic acid) polymer electrolyte membrane between the anode electrode and the cathode electrode so as to contact the first surface of the anode electrode and the third surface of the cathode electrode. The unit cell was prepared by the assembly.

(실시예 3)(Example 3)

Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 애노드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 애노드 전극 촉매층의 제2 표면의 평균 기공도는 80%가 되고, 이 제2 표면과 대 향하는 촉매층의 제1 표면의 평균 기공도는 40%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 애노드 전극을 제조하였다.An anode electrode was prepared by applying an anode catalyst composition mixed with a Pt-Ru black catalyst (Johnson Matthey) and a binder at a concentration of 5 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) to a carbon paper electrode substrate. It was. At this time, the average porosity of the second surface of the anode electrode catalyst layer in contact with the carbon paper electrode substrate is 80%, and the average porosity of the first surface of the catalyst layer facing the second surface is 40%, While controlling the concentration, the application process was repeated several times to produce an anode electrode.

Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 캐소드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 캐소드 전극 촉매층의 제4 표면의 평균 기공도는 30%가 되고, 이 제4 표면과 대향하는 촉매층의 제3 표면의 평균 기공도는 65%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 캐소드 전극을 제조하였다.Cathode electrodes were prepared by applying a cathode catalyst composition mixed with a Pt black catalyst (Johnson Matthey) and Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) at a concentration of 5 wt% to a carbon paper electrode substrate. At this time, the average porosity of the fourth surface of the cathode electrode catalyst layer in contact with the carbonaceous electrode substrate is 30%, and the average porosity of the third surface of the catalyst layer facing the fourth surface is 65%, While adjusting the concentration, the coating process was repeated several times to prepare a cathode electrode.

상기 애노드 전극의 제1 표면 및 캐소드 전극의 제3 표면과 접하도록 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 위치시켜 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이 막-전극 어셈블리로 단위 전지를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared by placing a Nafion 115 (perfluorosulfonic acid) polymer electrolyte membrane between the anode electrode and the cathode electrode so as to contact the first surface of the anode electrode and the third surface of the cathode electrode. The unit cell was prepared by the assembly.

(실시예 4)(Example 4)

Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 애노드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 애노드 전극의 제2 표면의 평균 기공도는 60%가 되고, 이 제2 표면과 대향하는 제1 표면의 평균 기공도는 10%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 애노드 전극을 제조하였다.An anode electrode was prepared by applying an anode catalyst composition mixed with a Pt-Ru black catalyst (Johnson Matthey) and a binder at a concentration of 5 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) to a carbon paper electrode substrate. It was. At this time, the concentration of the catalyst composition is adjusted such that the average porosity of the second surface of the anode electrode in contact with the carbon paper electrode substrate is 60%, and the average porosity of the first surface opposite to the second surface is 10%. While, the application process was repeated several times to produce an anode electrode.

Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 캐소드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 캐소드 전극 촉매층의 제4 표면의 평균 기공도는 5%가 되고, 이 제4 표면과 대향하는 촉매층의 제3 표면의 평균 기공도는 40%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 캐소드 전극을 제조하였다.Cathode electrodes were prepared by applying a cathode catalyst composition mixed with a Pt black catalyst (Johnson Matthey) and Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) at a concentration of 5 wt% to a carbon paper electrode substrate. At this time, the average porosity of the fourth surface of the cathode electrode catalyst layer in contact with the carbonaceous electrode substrate is 5%, and the average porosity of the third surface of the catalyst layer facing the fourth surface is 40%, While adjusting the concentration, the coating process was repeated several times to prepare a cathode electrode.

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 제1 표면과 접하도록 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 위치시켜 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이 막-전극 어셈블리로 단위 전지를 제조하였다.A membrane-electrode assembly is manufactured by placing a Nafion 115 (perfluorosulfonic acid) polymer electrolyte membrane between the anode electrode and the cathode electrode so as to contact the first surface of the anode electrode and the cathode electrode. Was prepared.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매 88 중량%와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 혼합한 애노드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하였다. 이때 애노드 전극 촉매층의 평균 기공도는 실질적으로 거의 균일하게 형성되었다.An anode catalyst composition was obtained by mixing 88 wt% Pt-Ru black (Johnson Matthey) catalyst and 12 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) at a concentration of 5 wt% as a binder. The anode was prepared by applying. At this time, the average porosity of the anode electrode catalyst layer was formed substantially substantially uniformly.

Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매 88 중량%와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 혼합한 캐소드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 캐소드 전극 촉매층의 평균 기공도는 실질적으로 거의 균일하게 형성되었다.A cathode catalyst composition was prepared by applying a cathode catalyst composition containing 88% by weight of Pt black (Johnson Matthey) catalyst and 12% by weight of Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) at a concentration of 5 wt. Cathode electrodes were prepared. At this time, the average porosity of the cathode electrode catalyst layer was formed substantially substantially uniformly.

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고 분자 전해질 막을 위치시켜 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이 막-전극 어셈블리로 단위 전지를 제조하였다.A Nafion 115 (perfluorosulfonic acid) high molecular electrolyte membrane was placed between the anode electrode and the cathode electrode to prepare a membrane-electrode assembly, and a unit cell was prepared from the membrane-electrode assembly.

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 연료 전지의 출력 특성을 측정한 결과, 실시예 1 내지 4가 비교예 1에 비하여 향상된 출력 특성을 나타내었다.As a result of measuring the output characteristics of the fuel cells of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, Examples 1 to 4 showed improved output characteristics compared to Comparative Example 1.

도 1은 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도.1 is a schematic cross-sectional view of a membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention.

도 2는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.2 schematically illustrates the structure of a fuel cell system of the present invention;

Claims (11)

애노드 전극 기재 및 이 애노드 전극 기재에 형성된 애노드 촉매층을 포함하는 애노드 전극;An anode electrode comprising an anode electrode substrate and an anode catalyst layer formed on the anode electrode substrate; 캐소드 전극 기재 및 이 캐소드 전극 기재에 형성된 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드 전극; 및A cathode electrode comprising a cathode electrode substrate and a cathode catalyst layer formed on the cathode electrode substrate; And 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,A polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, 상기 애노드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1 표면에서 상기 애노드 전극 기재에 접하는 제2 표면으로 갈수록 평균 기공도가 증가하고The anode catalyst layer has an average porosity increasing from a first surface in contact with the polymer electrolyte membrane to a second surface in contact with the anode electrode substrate. 상기 캐소드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제3 표면에서 상기 캐소드 전극 기재에 접하는 제4 표면으로 갈수록 평균 기공도가 감소하는 것인 The cathode catalyst layer has an average porosity decrease from the third surface in contact with the polymer electrolyte membrane toward the fourth surface in contact with the cathode electrode substrate. 연료 전지용 막-전극 어셈블리.Membrane-electrode assembly for fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 표면의 평균 기공도는 10 내지 40%이고, 상기 제2 표면의 평균 기공도는 60 내지 80%인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The average porosity of the first surface is 10 to 40%, the average porosity of the second surface is 60 to 80%. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 제1 표면의 평균 기공도는 10 내지 20%이고, 상기 제2 표면의 평균 기 공도는 65 내지 75%인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The mean porosity of the first surface is 10 to 20%, the mean porosity of the second surface is 65 to 75%. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제3 표면의 평균 기공도는 40 내지 65%이고, 상기 제4 표면의 평균 기공도는 5 내지 30%인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The average porosity of the third surface is 40 to 65%, the average porosity of the fourth surface is 5 to 30%. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 제3 표면의 평균 기공도는 50 내지 60%이고, 상기 제4 표면의 평균 기공도는 10 내지 20%인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The average porosity of the third surface is 50 to 60%, the average porosity of the fourth surface is 10 to 20%. 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 전기 발생부;An electricity generator including a membrane-electrode assembly and a separator, the electricity generating unit generating electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부Oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generating unit 를 포함하며,Including; 상기 막-전극 어셈블리는 애노드 전극 기재 및 이 애노드 전극 기재에 형성된 애노드 촉매층을 포함하는 애노드 전극;The membrane-electrode assembly comprises: an anode comprising an anode electrode substrate and an anode catalyst layer formed on the anode electrode substrate; 캐소드 전극 기재 및 이 캐소드 전극 기재에 형성된 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드 전극; 및A cathode electrode comprising a cathode electrode substrate and a cathode catalyst layer formed on the cathode electrode substrate; And 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,A polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, 상기 애노드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1 표면에서 상기 애노드 전극 기재에 접하는 제2 표면으로 갈수록 평균 기공도가 증가하고,The anode catalyst layer has an average porosity increases from the first surface in contact with the polymer electrolyte membrane to the second surface in contact with the anode electrode substrate, 상기 캐소드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제3 표면에서 상기 캐소드 전극 기재에 접하는 제4 표면으로 갈수록 평균 기공도가 감소하는 것인 The cathode catalyst layer has an average porosity decrease from the third surface in contact with the polymer electrolyte membrane toward the fourth surface in contact with the cathode electrode substrate. 연료 전지 시스템.Fuel cell system. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제1 표면의 평균 기공도는 10 내지 40%이고, 상기 제2 표면의 평균 기공도는 60 내지 80%인 연료 전지 시스템.The average porosity of the first surface is 10 to 40%, the average porosity of the second surface is 60 to 80%. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 제1 표면의 평균 기공도는 10 내지 20%이고, 상기 제2 표면의 평균 기공도는 65 내지 75%인 연료 전지 시스템.The average porosity of the first surface is 10 to 20%, the average porosity of the second surface is 65 to 75%. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제3 표면의 평균 기공도는 40 내지 65%이고, 상기 제4 표면의 평균 기공도는 5 내지 30%인 연료 전지 시스템.The average porosity of the third surface is 40 to 65%, the average porosity of the fourth surface is 5 to 30%. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 제3 표면의 평균 기공도는 50 내지 60%이고, 상기 제4 표면의 평균 기공도는 10 내지 20%인 연료 전지 시스템.The average porosity of the third surface is 50 to 60%, the average porosity of the fourth surface is 10 to 20%. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지 시스템인 연료 전지 시스템.The fuel cell system is a direct oxidation fuel cell system.
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