KR102287808B1 - Membrane electrode assembly comprising water retaining layer and fuel cell using the same - Google Patents

Membrane electrode assembly comprising water retaining layer and fuel cell using the same Download PDF

Info

Publication number
KR102287808B1
KR102287808B1 KR1020130154104A KR20130154104A KR102287808B1 KR 102287808 B1 KR102287808 B1 KR 102287808B1 KR 1020130154104 A KR1020130154104 A KR 1020130154104A KR 20130154104 A KR20130154104 A KR 20130154104A KR 102287808 B1 KR102287808 B1 KR 102287808B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
electrode assembly
membrane electrode
carbon
moisture
Prior art date
Application number
KR1020130154104A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20150068193A (en
Inventor
박정옥
김준희
이운회
하진수
홍석기
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020130154104A priority Critical patent/KR102287808B1/en
Publication of KR20150068193A publication Critical patent/KR20150068193A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102287808B1 publication Critical patent/KR102287808B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

촉매 슬러리, 이를 사용하여 제조된 전극 및 상기 전극을 포함하는 막전극 접합체 및 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지가 개시된다. 상기 촉매 슬러리는 촉매 물질, 바인더 수지, 이온성기를 갖는 무기 입자, 친수성 올리고머; 및 용매를 포함한다.Disclosed are a catalyst slurry, an electrode manufactured using the same, a membrane electrode assembly including the electrode, and a fuel cell including the membrane electrode assembly. The catalyst slurry may include a catalyst material, a binder resin, inorganic particles having an ionic group, and a hydrophilic oligomer; and solvents.

Description

보습층을 포함하는 막전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지{Membrane electrode assembly comprising water retaining layer and fuel cell using the same}Membrane electrode assembly comprising a moisturizing layer and a fuel cell comprising the same

막전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.It relates to a membrane electrode assembly and a fuel cell including the same.

연료전지는 천연가스, 메탄올, 에탄올 등 탄화수소 계열의 물질에서 얻을 수 있는 수소와 공기 중의 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 장치로서 고효율, 고에너지밀도를 갖는다. 이러한 연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 전해질의 선택에 따라 다양한 구동 온도를 가지며, 단위 전지가 적층된 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있다. 따라서 연료전지는 소형 및 이동용 전원으로부터 대규모 발전에 이르기까지 다양한 적용이 가능한 에너지원으로서 주목 받고 있다.A fuel cell is a power generation device that directly converts the chemical energy of hydrogen and oxygen in the air, which can be obtained from hydrocarbon-based substances such as natural gas, methanol, and ethanol, into electrical energy, and has high efficiency and high energy density. Such a fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, has various driving temperatures depending on the choice of electrolyte, and has the advantage of being able to output a wide range of outputs in a stack configuration in which unit cells are stacked. Therefore, fuel cells are attracting attention as an energy source that can be applied in a variety of ways from small and portable power sources to large-scale power generation.

연료전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질 연료전지(수소이온 교환막 연료전지)(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell or Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)가 있다. 상기 연료전지는 전해질로서 수소이온 전도가 가능한 고분자막을 이용한다.Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell or Proton Exchange Membrane Fuel Cell) and a direct methanol fuel cell (DMFC: Direct Methanol Fuel Cell). The fuel cell uses a polymer membrane capable of conducting hydrogen ions as an electrolyte.

이러한 연료전지 시스템은 수 개 내지 수백 개의 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)가 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)에 의하여 직렬로 연결된 스택 구조를 가진다. 그 중 연료전지 기술의 핵심이라고 할 수 있는 막전극 접합체는 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화 전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 갖는다.Such a fuel cell system has a stack structure in which several to hundreds of membrane electrode assemblies (MEA) are connected in series by a bipolar plate. Among them, the membrane electrode assembly, which can be said to be the core of fuel cell technology, has an anode electrode (called “fuel electrode” or “oxidation electrode”) and a cathode electrode (aka, It has a structure in which the "air electrode" or "reduction electrode") is located.

연료전지에서 전기를 발생시키는 원리는 다음과 같다. 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착된 후 산화되어 수소이온과 전자를 생성시킨다. 이때 발생된 전자는 외부 회로를 따라 환원 전극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소이온은 고분자 전해질막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산소가 공급되고, 이 산소, 수소이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.The principle of generating electricity in a fuel cell is as follows. Fuel is supplied to the anode electrode, which is the anode electrode, and is adsorbed to the catalyst of the anode electrode and then oxidized to generate hydrogen ions and electrons. At this time, the generated electrons reach the cathode electrode, which is a reduction electrode, along an external circuit, and hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are transferred to the cathode electrode. Oxygen is supplied to the cathode electrode, and the oxygen, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode electrode to generate water while generating electricity.

수소이온의 전도도를 높이기 위하여 전해질막의 수분함량이 높은 것이 바람직하다. 한편, 고출력을 얻기 위하여 약 120℃ 의 중온에서의 연료전지의 운전이 바람직한데, 이 온도에서는 연료전지의 습도가 약 40% 이하로 낮아져 출력이 떨어진다. 따라서 중온 저가습(120℃, 40% 이하의 습도) 조건에서 높은 출력을 얻을 수 있는 막전극 접합체가 요구된다. In order to increase the conductivity of hydrogen ions, it is preferable that the water content of the electrolyte membrane is high. On the other hand, in order to obtain high output, it is desirable to operate the fuel cell at a medium temperature of about 120°C. At this temperature, the humidity of the fuel cell is lowered to about 40% or less, so that the output is lowered. Therefore, a membrane electrode assembly capable of obtaining high output under medium temperature and low humidity (120° C., humidity of 40% or less) is required.

일 목적은 촉매층과 전해질막에 물함량을 증가시켜 저습 환경에서도 우수한 성능을 보장할 수 있는 연료전지용 막전극 접합체를 제공하는 것이다.One object is to provide a membrane electrode assembly for a fuel cell that can ensure excellent performance even in a low-humidity environment by increasing the water content in the catalyst layer and the electrolyte membrane.

다른 일 목적은 상기 연료전지용 막전극 접합체를 사용하여 우수한 성능의 연료전지를 제공하는 것이다. Another object is to provide a fuel cell having excellent performance using the membrane electrode assembly for a fuel cell.

일 측면은 캐소드, 애노드 및 이들 사이에 개재된 전해질막을 포함하는 막전극 접합체를 제공한다. One aspect provides a membrane electrode assembly including a cathode, an anode, and an electrolyte membrane interposed therebetween.

상기 캐소드 및 상기 애노드는 각각 상기 전해질막과 접촉하는 촉매층, 상기 촉매층과 접촉하고 흡습성을 갖는 보습층, 및 상기 보습층과 접촉하는 가스 확산층을 포함할 수 있다. The cathode and the anode may each include a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane, a moisturizing layer in contact with the catalyst layer and having hygroscopicity, and a gas diffusion layer in contact with the moisturizing layer.

상기 보습층은 다공성 카본 및 흡습 소재를 포함할 수 있다. The moisturizing layer may include porous carbon and a moisture absorption material.

상기 보습층의 BET 비표면적이 상기 촉매층의 BET 비표면적 보다 크다.The BET specific surface area of the moisturizing layer is larger than the BET specific surface area of the catalyst layer.

상기 보습층의 다공성 카본의 표면이 -OH기를 포함하고, 상기 보습층의 표면 산소 대 탄소 농도비가 상기 촉매층의 표면 산소 대 탄소 농도비 보다 크다. The surface of the porous carbon of the moisture-retaining layer includes -OH groups, and the surface oxygen-to-carbon concentration ratio of the moisture-retaining layer is greater than the surface oxygen-to-carbon concentration ratio of the catalyst layer.

상기 흡습 소재는 실리카 또는 금속 포스페이트를 포함할 수 있다. The moisture absorption material may include silica or metal phosphate.

또 다른 측면은 복수 개의 상술한 막전극 접합체가 바이폴라 플레이트에 의하여 연결된 연료전지를 제공한다.Another aspect provides a fuel cell in which a plurality of the above-described membrane electrode assemblies are connected by a bipolar plate.

촉매층과 가스 확산층 사이에 흡습성을 갖는 보습층을 도입함으로써 촉매층과 전해질막에 물함량을 증가시킴으로써 촉매층과 전해질막의 전도도를 향상시켜 우수한 성능을 갖는 연료전지를 제공할 수 있다.By introducing a moisture-absorbing layer having hygroscopicity between the catalyst layer and the gas diffusion layer, the water content in the catalyst layer and the electrolyte membrane is increased, thereby improving the conductivity of the catalyst layer and the electrolyte membrane, thereby providing a fuel cell having excellent performance.

도 1은 일 구현예에 따른 막전극 접합체(MEA)의 단면 모식도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 연료전지의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 실시예 6 및 비교예 1 의 막전극 접합체의 기공 분포를 측정한 그래프이다.
도 4는 실시예 1, 3, 4, 6 및 비교예 1의 단위 전지의 전류 밀도(current density)에 대한 전지 전위(cell voltage)를 측정한 그래프이다.
도 5는 실시예 3, 6 및 비교예 1에서 제조된 단위 전지의 교류 임피던스를 측정한 그래프이다.
도 6은 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에서 제조된 단위 전지의 오믹 과전압을 측정한 그래프이다.
1 is a schematic cross-sectional view of a membrane electrode assembly (MEA) according to an embodiment.
2 is an exploded perspective view illustrating a structure of a fuel cell according to an exemplary embodiment.
3 is a graph of measuring the pore distribution of the membrane electrode assemblies of Example 6 and Comparative Example 1. Referring to FIG.
FIG. 4 is a graph of measuring cell voltage versus current density of unit cells of Examples 1, 3, 4, 6 and Comparative Example 1. FIG.
5 is a graph of measuring AC impedance of unit cells prepared in Examples 3 and 6 and Comparative Example 1. FIG.
6 is a graph of measuring the ohmic overvoltage of the unit cells prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1. Referring to FIG.

본 명세서에서 "저습도(low relative humidity)"란 0% 보다 크고 약 80% 이하인 범위의 상대 습도(relative humidity)를 의미한다.As used herein, "low relative humidity" means relative humidity in the range greater than 0% and less than or equal to about 80%.

본 명세서에서 "이온성 그룹"란 술폰산기, 카르복실산기 등과 같이 이온성을 갖는 작용기를 의미한다.As used herein, the term “ionic group” refers to a functional group having ionicity, such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group.

본 명세서에서 "함습성"란 수분에 대한 친화도가 높아서 수분을 함유할 수 있는 성질을 의미한다.As used herein, the term “moisture content” refers to a property capable of containing moisture due to high affinity for moisture.

본 명세서에서 용어 "기공 부피"는 기공 직경이 30nm 이하, 예를 들어 0.1 내지 30nm 인 기공의 부피를 뜻하며, 수은 기공측정기를 사용하여 측정한 것이다.As used herein, the term “pore volume” refers to the volume of pores having a pore diameter of 30 nm or less, for example, 0.1 to 30 nm, and is measured using a mercury porosimeter.

이하에서 구현예들에 따른 연료전지 및 막전극 접합체를 상세히 설명한다. Hereinafter, a fuel cell and a membrane electrode assembly according to embodiments will be described in detail.

도 1은 연료전지의 일 구현예를 나타내는 분해 사시도이다. 1 is an exploded perspective view illustrating an embodiment of a fuel cell.

도 1을 참조하면, 연료전지(100)는 2개의 단위셀(11)이 한 쌍의 홀더(12)에 협지되어 있다. 단위셀(11)은 막전극 접합체(10) 및 막전극 접합체(10)의 두께 방향의 양측에 배치된 바이폴라 플레이트(bipolar plate)(20)로 구성되어 있다. 바이폴라 플레이트(20)는 전도성을 갖는 금속 또는 탄소 등으로 구성될 수 있다. 바이폴라 플레이트(20)는 막전극 접합체(10)에 각각 접합함으로써 집전체로서 기능함과 동시에, 유로(channel)를 포함하고 있어서 막전극 접합체(10)의 촉매층에 대하여 연료 및 산소를 공급할 수 있다.Referring to FIG. 1 , in the fuel cell 100 , two unit cells 11 are sandwiched by a pair of holders 12 . The unit cell 11 is composed of a membrane electrode assembly 10 and a bipolar plate 20 disposed on both sides of the membrane electrode assembly 10 in the thickness direction. The bipolar plate 20 may be made of conductive metal or carbon. The bipolar plate 20 functions as a current collector by bonding to the membrane electrode assembly 10 , and includes a channel, so that fuel and oxygen can be supplied to the catalyst layer of the membrane electrode assembly 10 .

도 1의 연료전지(100)에는 2개의 단위셀(11)이 도시되어 있으나, 단위셀의 수는 2개에 한정되지 않고, 연료전지에 요구되는 특성에 따라 수십 내지 수백 개까지 늘릴 수도 있다.Although two unit cells 11 are illustrated in the fuel cell 100 of FIG. 1 , the number of unit cells is not limited to two, and may be increased to several tens or hundreds depending on characteristics required for the fuel cell.

도 2는 도 1의 연료전지를 구성하는 일 구현예에 따른 막전극 접합체(MEA)의 단면 모식도이다.FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a membrane electrode assembly (MEA) according to an embodiment constituting the fuel cell of FIG. 1 .

도 2를 참조하면, 막전극 접합체(10)는 전해질막(1), 전해질막(1)의 두께 방향의 양측에 배치된 촉매층(5), 촉매층(5) 위의 보습층(8) 및 기체 확산층(9)을 포함한다. 일 측의 촉매층(5), 보습층(8) 및 기체 확산층(9)이 애노드를 구성하고, 다른 일 측의 촉매층(5), 보습층(8) 및 기체 확산층(9)이 캐소드를 구성한다. Referring to FIG. 2 , the membrane electrode assembly 10 includes an electrolyte membrane 1 , a catalyst layer 5 disposed on both sides in the thickness direction of the electrolyte membrane 1 , a moisture retention layer 8 on the catalyst layer 5 , and a gas a diffusion layer (9). The catalyst layer 5, the moisture-retaining layer 8 and the gas diffusion layer 9 on one side constitute the anode, and the catalyst layer 5, the moisture-retaining layer 8 and the gas diffusion layer 9 on the other side constitute the cathode. .

전해질막(1)은 이온전도성 고분자로 이루어진다. 애노드의 촉매층(5)에서 연료가 이온화되어 발생한 수소 이온(H+)이 전해질막(1)을 통과하여 캐소드의 촉매층(5)으로 전달된다. The electrolyte membrane 1 is made of an ion conductive polymer. Hydrogen ions (H + ) generated by ionization of fuel in the catalyst layer 5 of the anode pass through the electrolyte membrane 1 and are transferred to the catalyst layer 5 of the cathode.

상기 전해질막(1)으로는 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 고분자 전해질막을 사용할 수 있다. The electrolyte membrane 1 is not particularly limited, but for example, poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), tetrafluoroethylene containing a sulfonic acid group, and fluorovinyl ether Copolymer, defluorinated sulfurized polyetherketone, aryl ketone, poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole (Poly(2,2'-(m-phenylene)- At least one polymer electrolyte membrane selected from the group consisting of 5,5'-bibenzimidazole), poly(2,5-benzimidazole), and copolymers thereof may be used.

고분자로 전해질은 술폰산기와 같은 친수성기를 가지므로, 이 친수성기에 의하여 친수성 영역이 형성된다. 이 친수성 영역 내에서는 수소 이온과 술폰산기 사이의 인력이 상대적으로 약하여 수소 이온이 물과 함께 자유로이 이동할 수 있다. 고분자 전해질 내의 물 함유량이 감소하면 전기 전도도가 대체로 선형적으로 감소한다. Since the polymer electrolyte has a hydrophilic group such as a sulfonic acid group, a hydrophilic region is formed by the hydrophilic group. In this hydrophilic region, the attractive force between the hydrogen ion and the sulfonic acid group is relatively weak, so that the hydrogen ion can freely move with water. As the water content in the polyelectrolyte decreases, the electrical conductivity decreases generally linearly.

촉매층(5)은 연료극(애노드 전극) 및 산소극(캐소드 전극)으로서 기능하는 층이다. 촉매층(5)은 촉매 물질(2, 3) 및 바인더 수지(4)를 포함할 수 있다.The catalyst layer 5 is a layer functioning as an anode (anode electrode) and an oxygen electrode (cathode electrode). The catalyst layer 5 may include catalyst materials 2 and 3 and a binder resin 4 .

상기 촉매 물질은 담체(3) 및 이에 담지된 촉매 금속(2)을 포함할 수 있다. 상기 담체(3)는 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어, 카본나노혼, 카본에어로젤, 카본크레로겔 또는 탄소나노링과 같은 탄소계 담체일 수 있고, 이들 중 2 이상을 포함할 수도 있다. 상기 탄소계 담체는 평균 직경이 예를 들어 20nm 내지 50nm 범위일 수 있다.The catalyst material may include a carrier 3 and a catalyst metal 2 supported thereon. The carrier 3 may include carbon powder, carbon black, acetylene black, Ketjen black, activated carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanohorn, carbon airgel, carbon crerogel or carbon nanoring. It may be a carbon-based carrier, and may include two or more of them. The carbon-based carrier may have an average diameter in the range of, for example, 20 nm to 50 nm.

상기 촉매 금속(2)은 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 백금(Pt)-팔라듐(Pd) 합금, 백금(Pt)-루테늄(Ru) 합금, 백금(Pt)-이리듐(Ir) 합금, 백금(Pt)-오스뮴 합금, 백금(Pt)-M 합금 (M은 Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Ga 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 촉매 금속(2)은 평균 입경 10nm 이하의 나노 입자일 수 있다. 입자 크기가 10nm보다 크면 입자의 표면적이 너무 작아서 활성이 낮아질 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매 금속 입자의 평균 입경은 2nm 내지 10nm 또는 3nm 내지 8nm 일 수 있다.The catalyst metal 2 is platinum (Pt), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), palladium (Pd), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), iridium (Ir), osmium (Os) ), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), tin (Sn), titanium (Ti), chromium (Cr), platinum (Pt)-palladium (Pd) alloy, platinum (Pt)-ruthenium ( Ru) alloy, platinum (Pt)-iridium (Ir) alloy, platinum (Pt)-osmium alloy, platinum (Pt)-M alloy (M is Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh) , Ni, Cu, Ag, Au, Zn, at least one selected from the group consisting of Ga and Sn) or a combination thereof may include at least one selected from the group consisting of, but is not limited thereto. The catalyst metal 2 may be nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm or less. If the particle size is greater than 10 nm, the surface area of the particle may be too small, resulting in low activity. For example, the average particle diameter of the catalyst metal particles may be 2 nm to 10 nm or 3 nm to 8 nm.

상기 촉매 물질(2, 3)은 예를 들어 탄소계 담체에 담지된 백금계 촉매일 수 있다. 상기 촉매 물질(2, 3)은 예를 들어 탄소 분말에 담지된 백금과 코발트의 합금(PtCo/C)일 수 있다.The catalyst materials 2 and 3 may be, for example, a platinum-based catalyst supported on a carbon-based carrier. The catalyst materials 2 and 3 may be, for example, an alloy of platinum and cobalt (PtCo/C) supported on carbon powder.

상기 바인더 수지(4)는 수소이온 전도성 고분자 수지일 수 있다. 상기 수소이온 전도성 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 또는 이들의 공중합체 등을 들 수 있다. 구체적으로 상기 수소이온 전도성 고분자 수지는 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 또는 이들의 공중합체를 포함할 수 있다. The binder resin 4 may be a hydrogen ion conductive polymer resin. Representative examples of the hydrogen ion conductive polymer resin include fluoro-based polymers, benzimidazole-based polymers, polyimide-based polymers, polyetherimide-based polymers, polyphenylene sulfide-based polymers, polysulfone-based polymers, polyethersulfone-based polymers, and polyether ketone-based polymers, polyether-etherketone-based polymers, polyphenylquinoxaline-based polymers, and copolymers thereof. Specifically, the hydrogen ion conductive polymer resin is poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, defluorinated sulfided polyether Ketones, aryl ketones, poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole (Poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole) or a copolymer thereof.

촉매층(5)은 예를 들어 20-100nm 크기의 기공의 부피가 0.03-0.06 mL/g 일 수 있다. The catalyst layer 5 may have, for example, a volume of 20-100 nm pores of 0.03-0.06 mL/g.

촉매층(5)은 전극 반응을 효과적으로 활성화시키고, 전기 저항이 과도하게 증가하지 않도록 두께가 예를 들어 1㎛ 내지 100㎛, 5㎛ 내지 80㎛, 또는 10㎛ 내지 60㎛ 일 수 있다.The catalyst layer 5 may have a thickness of, for example, 1 μm to 100 μm, 5 μm to 80 μm, or 10 μm to 60 μm to effectively activate the electrode reaction and not excessively increase the electrical resistance.

보습층(8)은 보습층(8)이 함유한 수분을 촉매층(5)으로 공급할 수 있다. 보습층(8)은 다공성 소재(6) 및 흡습 소재(7)를 포함한다. 다공성 소재(6)는 탄소계 담체와 마찬가지로 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어, 카본나노혼, 카본에어로젤, 카본크레로겔 또는 탄소나노링과 같은 전기 전도성이 양호한 탄소계 소재일 수 있고, 이들 중 2 이상을 포함할 수도 있다. 보습층(8)의 다공성 소재(6)는 예를 들어 메조포러스(mesoporous) 카본일 수 있다. The moisture-retaining layer 8 may supply moisture contained in the moisture-retaining layer 8 to the catalyst layer 5 . The moisture-retaining layer 8 includes a porous material 6 and a moisture-absorbing material 7 . The porous material 6 is, like the carbon-based carrier, carbon powder, carbon black, acetylene black, Ketjen black, activated carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanohorn, carbon airgel, carbon crerogel, or It may be a carbon-based material having good electrical conductivity, such as carbon nanoring, and may include two or more of them. The porous material 6 of the moisturizing layer 8 may be, for example, mesoporous carbon.

상기 보습층의 다공성 소재의 함량은 예를 들어 0.2-2 mg/cm2 또는 0.5-1.5 mg/cm2 일 수 있다. 한편, 보습층(8)의 다공성 소재(6)는 촉매층(5)의 담체(3) 보다 표면적이 더 넓고, 기공 크기가 더 크다. 표면적이 더 넓음으로써 표면에 더욱 많은 양의 물을 흡착 시킬 수 있고, 기공 크기가 더 큼으로써 촉매층(5)으로의 기체 및 수분의 공급을 원활히 할 수 있다. The content of the porous material of the moisturizing layer may be, for example, 0.2-2 mg/cm 2 or 0.5-1.5 mg/cm 2 . On the other hand, the porous material 6 of the moisturizing layer 8 has a larger surface area and a larger pore size than the carrier 3 of the catalyst layer 5 . The larger the surface area, the more water can be adsorbed on the surface, and the larger the pore size, the smoother the supply of gas and moisture to the catalyst layer 5 .

보습층(8)의 BET 비표면적이 상기 촉매층의 BET 비표면적 보다 크며, 상기 보습층의 BET 비표면적은 예를 들어 400-1,000m2/g 또는 500-800m2/g 일 수 있다. 보습층(8)의 다공성 소재(6)은 기공의 약 20-80 %가 예를 들어 100-500nm 또는 100-300nm 의 기공 크기를 가질 수 있다. 보습층(8)의 BET 비표면적과 기공 크기가 상기 범위를 가질 때 기체 및 수분의 공급이 원활해 질 수 있다. The BET specific surface area of the moisturizing layer 8 is larger than the BET specific surface area of the catalyst layer, and the BET specific surface area of the moisturizing layer may be, for example, 400-1,000 m 2 /g or 500-800 m 2 /g. In the porous material 6 of the moisturizing layer 8, about 20-80% of the pores may have a pore size of, for example, 100-500 nm or 100-300 nm. When the BET specific surface area and pore size of the moisturizing layer 8 have the above ranges, the supply of gas and moisture may be smooth.

한편, 보습층(8)의 다공성 소재(6)의 표면은 -OH기를 포함할 수 있으며, 이는 보습층(8)의 함수율을 높일 수 있다. 다공성 소재(6)의 표면의 -OH기는 예를 들어 다공성 소재(6)의 표면을 산소의 존재하에 UV를 조사함으로써 생성할 수 있다. 따라서 보습층(8)의 표면 산소 대 탄소 농도비가 촉매층(5)의 표면 산소 대 탄소 농도비 보다 크다. 보습층(8)의 다공성 소재(6)의 표면 산소 대 탄소 농도비는 예를 들어 0.1-0.5 또는 0.2-0.4 일 수 있다. On the other hand, the surface of the porous material 6 of the moisture-retaining layer 8 may include -OH groups, which may increase the moisture content of the moisture-retaining layer 8 . The -OH group on the surface of the porous material 6 may be generated, for example, by irradiating the surface of the porous material 6 with UV in the presence of oxygen. Therefore, the surface oxygen-to-carbon concentration ratio of the moisturizing layer 8 is greater than the surface oxygen-to-carbon concentration ratio of the catalyst layer 5 . The surface oxygen to carbon concentration ratio of the porous material 6 of the moisturizing layer 8 may be, for example, 0.1-0.5 or 0.2-0.4.

흡습 소재(7)는 물의 흡수력을 가지므로 보습층(8)의 보습 능력을 더욱 향상시킬 수 있다. 흡습 소재(7)는 보습층(8)의 전체 중량에 대하여 1-20 중량 % 또는 5-15 중량 % 일 수 있다. 흡습 소재(7)의 크기(직경)는 2-30 nm 또는 10-20 nm 일 수 있다. 흡습 소재(7)는 실리카 또는 금속 포스페이트를 포함할 수 있다. 금속 포스페이트는 예를 들어 지르코늄 포스페이트, 주석 포스페이트 또는 텅스텐 포스페이트를 포함할 수 있다. Since the moisture-absorbing material 7 has water absorbing power, it is possible to further improve the moisture-retaining ability of the moisture-absorbing layer 8 . The moisture-absorbing material 7 may be 1-20% by weight or 5-15% by weight based on the total weight of the moisture-retaining layer 8 . The size (diameter) of the moisture absorbing material 7 may be 2-30 nm or 10-20 nm. The moisture absorption material 7 may include silica or metal phosphate. Metal phosphates may include, for example, zirconium phosphate, tin phosphate or tungsten phosphate.

기체 확산층(9)은 바이폴라 플레이트(도 1의 20)를 통해 공급된 연료 및 산소를 촉매층(5)의 전면으로 확산시키고, 촉매층(5)에서 형성되는 물을 신속하게 배출할 수 있도록 다공성인 것이 유리하다. 또한, 촉매층(5)에서 발생한 전류를 전달하기 위하여 전기 전도성을 가질 필요가 있다.The gas diffusion layer 9 is porous so that the fuel and oxygen supplied through the bipolar plate (20 in FIG. 1) can be diffused to the front of the catalyst layer 5, and water formed in the catalyst layer 5 can be quickly discharged. It is advantageous. In addition, in order to transmit the current generated in the catalyst layer 5, it is necessary to have electrical conductivity.

기체 확산층(9)은 미세 기공층(미도시) 및 지지체(미도시)로 이루어질 수 있다. 지지체(미도시)는 금속 또는 탄소계 소재 등과 같은 전기 전도성 물질일 수 있다. 예를 들어, 지지체는 탄소 종이(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속 천 등의 전도성 기재를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The gas diffusion layer 9 may include a microporous layer (not shown) and a support (not shown). The support (not shown) may be an electrically conductive material such as a metal or a carbon-based material. For example, the support may use a conductive substrate such as carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth, but is not limited thereto.

미세 기공층(미도시)은 일반적으로 입경이 작은 전도성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 카본나노튜브, 카본나노화이버, 카본나노와이어, 카본나노혼, 카본에어로젤, 카본크레로겔, 카본나노링 또는 풀러렌(fullerene)으로 이루어질 수 있다. 미세 기공층(미도시)을 구성하는 전도성 분말은 입자 크기가 너무 작으면 압력 강하가 심하여 촉매층으로의 기체 확산이 미흡할 수 있고, 입자 크기가 너무 커지면 기체의 균일한 확산이 어려울 수 있다. 따라서 기체의 확산 효과를 고려하여 일반적으로 10nm 내지 50nm 범위의 평균 입경을 갖는 전도성 입자를 사용할 수 있다.The microporous layer (not shown) is generally a conductive powder having a small particle size, for example, carbon powder, carbon black, acetylene black, Ketjen black, activated carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanohorn, It may be made of carbon airgel, carbon crerogel, carbon nanoring or fullerene. If the particle size of the conductive powder constituting the microporous layer (not shown) is too small, the pressure drop may be severe and diffusion of gas into the catalyst layer may be insufficient. If the particle size is too large, uniform diffusion of the gas may be difficult. Therefore, in consideration of the gas diffusion effect, conductive particles having an average particle diameter in the range of generally 10 nm to 50 nm may be used.

기체 확산층(9)은 상용 제품을 사용할 수도 있고, 탄소 종이만 구입한 뒤 그 위에 미세 기공층(미도시)을 직접 코팅하여 준비할 수도 있다. 상기 미세 기공층(미도시)은 상기 전도성 입자 사이에 형성된 공극을 통하여 기체 확산이 일어나며, 이들 공극의 평균 기공 크기는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 미세 기공층(미도시)의 평균 기공 크기는 1nm 내지 1mm 범위, 또는 10nm 내지 800㎛ 범위, 100nm 내지 600㎛ 범위, 또는 1㎛ 내지 400㎛ 범위 일 수 있다. 경우에 따라서 미세 기공층(미도시)이 생략될 수도 있다.The gas diffusion layer 9 may be prepared by using a commercial product, or by directly coating a microporous layer (not shown) thereon after purchasing only carbon paper. In the micropore layer (not shown), gas diffusion occurs through the pores formed between the conductive particles, and the average pore size of these pores is not particularly limited. For example, the average pore size of the microporous layer (not shown) may be in the range of 1 nm to 1 mm, or in the range of 10 nm to 800 μm, in the range of 100 nm to 600 μm, or in the range of 1 μm to 400 μm. In some cases, the microporous layer (not shown) may be omitted.

기체 확산층(9)의 두께는 기체의 확산 효과 및 전기 저항 등을 고려하여 예를 들어 100㎛ 내지 500㎛ 범위, 150㎛ 내지 450㎛, 또는 200㎛ 내지 400㎛ 일 수 있다.The thickness of the gas diffusion layer 9 may be, for example, in the range of 100 μm to 500 μm, 150 μm to 450 μm, or 200 μm to 400 μm in consideration of gas diffusion effects and electrical resistance.

연료전지에서 연료가 산화되어 생성된 양성자(수소이온)이 애노드 전극에서 캐소드 전극으로 이동하는데, 이 때 양성자(수소이온)은 물과 함께 이온을 형성하여 이동한다. 따라서 연료전지의 전해질막과 전극 내부에 충분한 양의 수분이 존재해야 반응이 원활하게 일어날 수 있으므로, 연료전지는 100%에 가까운 고습도 환경에서 구동하는 것이 일반적이다. 그러나 이러한 고습도 환경에서는 촉매층 내부의 기체 순환이 원활하지 못한 문제가 발생할 수 있으므로, 저습도 환경에서 연료 전지를 구동할 필요성이 커지고 있다. 그러나 저습도에서는 양성자(수소이온)의 이동이 원할하지 못할 수 있다.Protons (hydrogen ions) generated by oxidation of fuel in the fuel cell move from the anode electrode to the cathode electrode. At this time, the protons (hydrogen ions) form ions with water and move. Therefore, since a sufficient amount of moisture can be present in the electrolyte membrane and the electrode of the fuel cell for a smooth reaction to occur, the fuel cell is generally operated in a high-humidity environment close to 100%. However, in such a high-humidity environment, there may be a problem that the gas circulation inside the catalyst layer is not smooth, so the necessity of driving the fuel cell in a low-humidity environment is increasing. However, the movement of protons (hydrogen ions) may not be smooth at low humidity.

본 구현예에서는 촉매층과 기체 확산층 사이에 보습층을 도입함으로써 막전극 접합체의 함습성을 향상시켜서 저습도 환경에서 양성자(수소이온)의 이동을 원할하게 할 수 있다. In this embodiment, by introducing a moisturizing layer between the catalyst layer and the gas diffusion layer, the moisture content of the membrane electrode assembly can be improved, so that protons (hydrogen ions) can move smoothly in a low humidity environment.

상기 연료전지는 예를 들어 60-250℃의 구동 온도, 0-80%의 상대 습도에서 구동될 수 있다. The fuel cell may be driven, for example, at a driving temperature of 60-250° C. and a relative humidity of 0-80%.

상기 연료전지는 예를 들어 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 또는 인산형 연료전지(PAFC)일 수 있다. 이러한 연료전지의 구조 및 제조 방법은 특별히 한정되지 않으며, 구체적인 예가 각종 문헌에 상세히 공지되어 있으므로 여기에서는 더 이상 상세히 설명하지 않는다.The fuel cell may be, for example, a hydrogen ion exchange membrane fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), or a phosphoric acid fuel cell (PAFC). The structure and manufacturing method of such a fuel cell are not particularly limited, and specific examples are well known in various documents, and thus will not be described in detail herein.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the following examples, but the present invention is not limited only to the following examples.

실시예Example 1 One

(a) 촉매 코팅막(catalyst coated membrane)의 제조(a) Preparation of catalyst coated membrane

Pt 담지 탄소촉매(Pt/C)(Tanaka 社)와 이오노머(Aquivion™ R79-20BS)(몰당량 790g/mol SO3H, 1몰의 황산당 고분자의 무게)를 중량비 7:3 (Pt/C: 이오노머)으로 포함하는 촉매층 슬러리를 PTFE(polytetrafluoroethylene) 시트 위에 인쇄하여 2개의 PTFE 위의 촉매층을 형성하였다. 2개의 PTFE 위의 촉매층을 20㎛ 두께의 전해질막(Aquivion™ R79-02S)(몰당량 790g/mol SO3H)의 양면에 각각 전사하여 촉매층/전해질막/촉매층으로 이루어진 촉매 코팅막을 형성하였다. 이 때 각 촉매층 내의 Pt의 함량은 0.4mg/cm2, 촉매층의 형성 면적은 10cm2, 촉매층의 두께는 15 ㎛ 이었다. Pt-supported carbon catalyst (Pt/C) (Tanaka Co.) and ionomer (Aquivion™ R79-20BS) (molar equivalent 790 g/mol SO 3 H, weight of polymer per mole of sulfuric acid) were mixed at a weight ratio of 7:3 (Pt/C) : A catalyst layer slurry containing ionomer) was printed on a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet to form a catalyst layer on two PTFE. Two catalyst layers on PTFE were transferred to both sides of an electrolyte membrane (Aquivion™ R79-02S) (molar equivalent: 790 g/mol SO 3 H) having a thickness of 20 μm, respectively, to form a catalyst coating membrane consisting of a catalyst layer/electrolyte membrane/catalyst layer. At this time, the Pt content in each catalyst layer was 0.4 mg/cm 2 , the formation area of the catalyst layer was 10 cm 2 , and the thickness of the catalyst layer was 15 μm.

(b) 보습층의 형성(b) formation of a moisturizing layer

함량 0.5 mg/cm2의 메조포러스 카본(mesoporous carbon) (표면적 670m2/g, 입자크기 100-1000nm) 및 5 중량%의 PVDF 바인더를 함유한 보습층 슬러리를 PTFE 시트 위에 인쇄하여 2개의 PTFE 위의 보습층을 형성하였다. 2개의 PTFE 위의 보습층을 촉매 코팅막의 양면에 각각 전사하여 촉매 코팅막의 양면에 10 ㎛ 두께의 보습층을 형성하였다. A moisturizing layer slurry containing 0.5 mg/cm 2 of mesoporous carbon (surface area 670 m 2 /g, particle size 100-1000 nm) and 5% by weight of PVDF binder was printed on a PTFE sheet and placed on two PTFE sheets. of the moisture layer was formed. The moisture-retaining layers on the two PTFE were transferred to both sides of the catalyst coating film, respectively, to form a moisture-retaining layer with a thickness of 10 μm on both sides of the catalyst coating film.

(c) 막전극 접합체 및 단위 전지의 제조(c) Preparation of membrane electrode assembly and unit cell

양면으로 촉매층 및 보습층이 접합된 전해질막을 가스 확산층 역할을 하는 두 장의 탄소 종이와 가스켓 사이에 삽입한 후 이것을 다시 일정 형상의 기체 유로(流路) 채널이 형성된 2개의 카본 플레이트 사이에 삽입하여 막전극 접합체를 형성하였다. 그리고 이것을 서스(SUS) 엔드 플레이트를 사용하여 체결하여 단위 전지를 제조하였다.The electrolyte membrane, in which the catalyst layer and the moisturizing layer are bonded on both sides, is inserted between two sheets of carbon paper serving as a gas diffusion layer and the gasket, and then inserted between the two carbon plates having gas flow channels of a certain shape. An electrode assembly was formed. And this was fastened using a SUS end plate to manufacture a unit cell.

실시예Example 2 2

2 중량% 의 실리카를 더 함유한 보습층을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 막전극 접합체 및 단위 전지를 제조하였다.A membrane electrode assembly and a unit cell were prepared in the same manner as in Example 1, except that a moisturizing layer further containing 2 wt% silica was used.

실시예Example 3 3

보습층의 메조포러스 카본의 함량을 0.5 mg/cm2 대신 0.6 mg/cm2을 사용하고, 보습층의 실리카를 2 중량% 대신 9 중량%를 사용한 것을 제외하면, 실시예 2와 동일한 방법을 사용하여 막전극 접합체 및 단위 전지를 제조하였다.If a meso content of the porous carbon moisturizing layer using a 0.5 mg / cm 2 instead of 0.6 mg / cm 2, and except for using a 9 wt% instead of 2% by weight of silica moisturizing layer, using the same method as in Example 2 Thus, a membrane electrode assembly and a unit cell were prepared.

실시예Example 4 4

보습층의 메조포러스 카본의 함량을 0.5 mg/cm2 대신 0.6 mg/cm2을 사용하고, 보습층의 실리카를 2 중량% 대신 13 중량%를 사용한 것을 제외하면, 실시예 2와 동일한 방법을 사용하여 막전극 접합체 및 단위 전지를 제조하였다.If a meso content of the porous carbon moisturizing layer using a 0.5 mg / cm 2 instead of 0.6 mg / cm 2, and except for using 13 wt% instead of 2% by weight of silica moisturizing layer, using the same method as in Example 2 Thus, a membrane electrode assembly and a unit cell were prepared.

실시예Example 5 5

보습층의 메조포러스 카본의 함량을 0.5 mg/cm2 대신 1 mg/cm2을 사용한 것을 제외하면, 실시예 2와 동일한 방법을 사용하여 막전극 접합체 및 단위 전지를 제조하였다.A membrane electrode assembly and a unit cell were prepared in the same manner as in Example 2, except that 1 mg/cm 2 was used instead of 0.5 mg/cm 2 for the mesoporous carbon content of the moisturizing layer.

실시예Example 6 6

보습층의 메조포러스 카본의 함량을 0.5 mg/cm2 대신 1 mg/cm2을 사용하고, 보습층의 실리카를 2 중량% 대신 9 중량%를 사용한 것을 제외하면, 실시예 2와 동일한 방법을 사용하여 막전극 접합체 및 단위 전지를 제조하였다.The same method as in Example 2 was used, except that 1 mg/cm 2 was used instead of 0.5 mg/cm 2 for the content of mesoporous carbon in the moisture layer, and 9 wt % of the silica of the moisture layer was used instead of 2 wt %. Thus, a membrane electrode assembly and a unit cell were prepared.

비교예comparative example 1 One

보습층을 사용하지 않은 것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 막전극 접합체 및 단위 전지를 제조하였다. A membrane electrode assembly and a unit cell were prepared in the same manner as in Example 1, except that the moisturizing layer was not used.

실시예 1 내지 6 및 비교예 1의 보습층의 메조포러스 카본 함량 및 실리카의 함량을 표 1에 나타내었다.Table 1 shows the mesoporous carbon content and silica content of the moisturizing layers of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1.

기공 분포 측정pore distribution measurement

도 3은 실시예 6 및 비교예 1의 막전극 접합체의 기공 분포를 측정한 그래프이다. 수은 동공 분포 측정기(mercury porosimeter)의 방법을 사용하여 기공의 분포를 측정하였다. FIG. 3 is a graph of measuring the pore distribution of the membrane electrode assemblies of Example 6 and Comparative Example 1. FIG. The distribution of pores was measured using the method of a mercury porosimeter.

도 3의 그래프를 참조하면, 실시예 6의 기공 크기 분포는 대략 10-50nm 의 작은 피크와 100-500nm 의 큰 피크의 분포를 갖는 반면, 비교예 1의 기공 크기는 약 10-50nm 의 피크만의 분포를 갖는다. 실시예 6의 기공 분포 중 100-500nm 의 크기는 보습층의 기공에서 기인한다. 메조포러스 카본 입자 사이의 공간이 100-500nm 의 기공에 기여하여 기체 및 수분의 공급을 원활하게 할 수 있다. 메조포러스 카본 입자 내의 메조포러스 기공은 메조포러스 카본 입자의 표면적을 크게 하여 수분의 흡착량을 증가시킬 수 있따. Referring to the graph of FIG. 3 , the pore size distribution of Example 6 has a distribution of a small peak of about 10-50 nm and a large peak of 100-500 nm, whereas the pore size of Comparative Example 1 has only a peak of about 10-50 nm. has a distribution of The size of 100-500 nm in the pore distribution of Example 6 is due to the pores of the moisturizing layer. The space between the mesoporous carbon particles contributes to the pores of 100-500 nm to facilitate the supply of gas and moisture. The mesoporous pores in the mesoporous carbon particles can increase the surface area of the mesoporous carbon particles to increase the amount of moisture adsorption.

평가예evaluation example

상기 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1에서 제조된 단위 전지에 대하여 애노드 전극 측에는 수소를, 캐소드 전극 측에는 공기를 각각 공급한 후 120℃의 온도, 40%의 상대 습도에서 출력 밀도(power density)를 측정하였다. 이때 압력이 0.7bar 이고, 수소의 유속(flow rate)은 52sccm 이고, 공기의 유속은 200sccm 이었다. 그 결과를 도 4 및 하기 표 1에 나타내었다. For the unit cells prepared in Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, after supplying hydrogen to the anode electrode side and air to the cathode electrode side, respectively, at a temperature of 120° C. and a relative humidity of 40%, power density (power density) ) was measured. At this time, the pressure was 0.7 bar, the flow rate of hydrogen was 52 sccm, and the flow rate of air was 200 sccm. The results are shown in FIG. 4 and Table 1 below.

메조포러스 카본 함량 (mg/cm2)Mesoporous carbon content (mg/cm 2 ) 실리카 함량
(중량%)
Silica content
(weight%)
출력밀도
(mW/cm2 @0.7V )
power density
(mW/cm 2 @0.7V )
실시예 1Example 1 0.50.5 00 160160 실시예 2Example 2 0.50.5 22 미측정unmeasured 실시예 3Example 3 0.60.6 99 210210 실시예 4Example 4 0.60.6 1313 170170 실시예 5Example 5 1One 22 미측정unmeasured 실시예 6Example 6 1One 99 180180 비교예 1Comparative Example 1 00 00 150150

표 1을 참조하면, 보습층을 사용하지 않은 비교예 1 보다 보습층을 사용한 실시예 1 내지 실시예 6의 단위 전지의 출력 밀도가 더 높은 것으로 나타났다. 또한, 실리카를 함유하지 않은 실시예 1 보다 실리카를 함유한 실시예 3, 4 및 6의 단위 전지의 출력 밀도가 더 높게 나타났다. Referring to Table 1, it was found that the output density of the unit cells of Examples 1 to 6 using the moisturizing layer was higher than that of Comparative Example 1 in which the moisturizing layer was not used. In addition, the output density of the unit cells of Examples 3, 4 and 6 containing silica was higher than that of Example 1 without silica.

도 4는 실시예 1, 실시예 3, 실시예 4, 실시예 6 및 비교예 1의 단위 전지의 전류 밀도(current density)에 대한 전지 전위(cell potential)를 측정한 그래프이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 실시예 3, 실시예 6, 실시예 4, 실시예 1 및 비교예 1의 순서로 단위 전지의 전지 전위가 크게 나타났다. 이는 보습층의 보습성이 클수록 전해질막의 함습도를 높여서 수소 이온 전도 특성을 향상시킴으로써 연료전지의 출력을 향상시키기 때문으로 여겨진다. 또한, 보습층의 보습성은 메조포러스 카본의 함량과 실리카의 함량이 적정 범위에 있을 때 최적화되는 것으로 여겨진다. 4 is a graph of measuring cell potential with respect to current density of the unit cells of Examples 1, 3, 4, 6, and Comparative Example 1. FIG. As shown in FIG. 4 , the cell potential of the unit cell was large in the order of Example 3, Example 6, Example 4, Example 1, and Comparative Example 1. This is considered to be because the greater the moisture retention of the moisture-retaining layer, the higher the moisture content of the electrolyte membrane, thereby improving the hydrogen ion conduction characteristics, thereby improving the output of the fuel cell. In addition, it is considered that the moisturizing properties of the moisturizing layer are optimized when the content of mesoporous carbon and the content of silica are in an appropriate range.

도 5는 실시예 3, 실시예 6 및 비교예 1에서 제조된 단위 전지의 막전극 접합체의 임피던스를 측정한 그래프이다. 도 5의 그래프에서 Z'는 임피던스의 실수부이고, Z"는 임피던스의 허수부이다. 단위 전지의 막전극 접합체의 교류 임피던스를 0.2 A/㎠의 전류밀도에서 측정하였다(10kHz-0.001Hz).5 is a graph of measuring the impedance of the membrane electrode assembly of the unit cell prepared in Examples 3, 6, and Comparative Example 1. Referring to FIG. In the graph of FIG. 5, Z' is the real part of the impedance, and Z" is the imaginary part of the impedance. The AC impedance of the membrane electrode assembly of the unit cell was measured at a current density of 0.2 A/cm 2 (10 kHz-0.001 Hz).

도 5의 그래프에서 막전극 접합체의 임피던스는 반원의 위치 및 크기로 결정된다. 반원의 첫 번째 x축(즉, 가로축) 절편이 전해질막의 저항을 나타내고, 반원의 첫번째 x축 절편과 두번째 x축 절편의 차이가 전극 저항을 나타낸다. 도 5의 그래프를 참조하면, 임피던스의 반원의 크기, 첫번째 x축 절편의 크기 및 두번째 x축 절편의 크기가 모두 실시예 3, 실시예 6 및 비교예 1의 순서로 작게 나타난다. 이로부터 실시예 3, 실시예 6 및 비교예 1의 순서로 전해질막의 저항과 전극의 저항이 작음을 알 수 있다. 한편, 도 5의 임피던스 그래프로부터 실시예 3, 실시예 6 및 비교예 1 사이에 특히 전극의 저항의 차이가 큰 것을 알 수 있으며, 이는 실시예의 막전극 접합체에서 보습층의 도입으로 전극 내 물 함량이 증가되어 수소 이온의 이동 저항이 감소하는 데에서 기인하는 것으로 여겨진다.In the graph of FIG. 5 , the impedance of the membrane electrode assembly is determined by the position and size of the semicircle. The first x-axis (ie, abscissa) intercept of the semicircle represents the resistance of the electrolyte membrane, and the difference between the first x-axis intercept and the second x-axis intercept of the semicircle represents the electrode resistance. Referring to the graph of FIG. 5 , the size of the semicircle of impedance, the size of the first x-axis intercept, and the size of the second x-axis intercept are all smaller in the order of Example 3, Example 6, and Comparative Example 1. From this, it can be seen that the resistance of the electrolyte membrane and the resistance of the electrode were small in the order of Example 3, Example 6, and Comparative Example 1. On the other hand, it can be seen from the impedance graph of FIG. 5 that the difference in the resistance of the electrode is particularly large between Examples 3, 6, and Comparative Example 1, which is due to the introduction of the moisture-retaining layer in the membrane electrode assembly of the Example. It is believed that this is due to the increase in the migration resistance of hydrogen ions.

도 6은 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1의 단위전지의 오믹 과전압 대 메조포러스 카본의 함량의 그래프이다. "오믹 과전압"은 전해질막의 수소 이온의 이동 저항으로 인하여 발생하는 전압 감소를 나타낸다. 오믹 과전압은 임피던스 측정에서 얻어진 오믹 저항에 전류를 곱하는 방법으로 계산되었다. 도 5의 그래프를 참조하면, 비교예 1의 과전압이 가장 높고, 실시예 4 및 실시예 2, 실시예 3, 실시예 1 및 실시예 5의 순서로 과전압이 낮았다. 과전압의 순서는 출력 밀도의 순서와 다르게 나타났는데, 이는 오믹 저항으로 발생하는 전압 감소가 적을수록 출력밀도가 높기 때문이다. 도 6의 그래프로부터 보습층의 도입으로 인하여 과전압이 3-6mV 감소하는 것으로 나타났다. 6 is a graph of the ohmic overvoltage versus the mesoporous carbon content of the unit cells of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1. FIG. "Ohmic overvoltage" refers to a voltage decrease caused by the movement resistance of hydrogen ions in the electrolyte membrane. The ohmic overvoltage was calculated by multiplying the ohmic resistance obtained from the impedance measurement by the current. Referring to the graph of FIG. 5 , the overvoltage of Comparative Example 1 was the highest, and the overvoltage was low in the order of Examples 4 and 2, Example 3, and Example 1 and Example 5. The order of the overvoltage was different from the order of the power density, because the smaller the voltage decrease caused by the ohmic resistance, the higher the power density. From the graph of FIG. 6, it was found that the overvoltage decreased by 3-6 mV due to the introduction of the moisturizing layer.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.In the above, the preferred embodiments according to the present invention have been described with reference to the drawings and examples, but these are merely exemplary, and various modifications and equivalent other embodiments are possible by those skilled in the art. will be able to understand Accordingly, the protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

1: 전해질막 2: 촉매 금속
3: 담체 4: 바인더 수지
5: 촉매층 6: 다공성 소재
7: 흡습 소재 8: 보습층
9: 확산층 10: 막전극 접합체
11: 단위셀 12: 홀더
20: 바이폴라 플레이트 100: 연료 전지
1: Electrolyte membrane 2: Catalyst metal
3: carrier 4: binder resin
5: Catalyst layer 6: Porous material
7: moisture absorption material 8: moisture layer
9: diffusion layer 10: membrane electrode assembly
11: unit cell 12: holder
20: bipolar plate 100: fuel cell

Claims (18)

캐소드, 애노드 및 이들 사이에 개재된 전해질막을 포함하는 막전극 접합체로서,
상기 캐소드 및 상기 애노드는 각각
상기 전해질막과 접촉하는 촉매층;
상기 촉매층과 접촉하고 흡습성을 갖는 보습층; 및
상기 보습층과 접촉하는 가스 확산층을 포함하고,
상기 보습층은 다공성 소재 및 흡습 소재를 포함하고,
상기 보습층의 다공성 소재의 표면은 -OH기를 포함하고,
상기 보습층의 상기 다공성 소재는 메조포러스 카본이고,
상기 흡습 소재는 실리카 또는 금속 포스페이트를 포함하고,
상기 흡습 소재는 상기 보습층 전체 중량에 대하여 1-20 중량 % 인 막전극 접합체.
A membrane electrode assembly comprising a cathode, an anode and an electrolyte membrane interposed therebetween,
The cathode and the anode are each
a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane;
a moisturizing layer in contact with the catalyst layer and having hygroscopicity; and
a gas diffusion layer in contact with the moisturizing layer;
The moisture layer includes a porous material and a moisture absorption material,
The surface of the porous material of the moisturizing layer contains -OH groups,
The porous material of the moisturizing layer is mesoporous carbon,
The hygroscopic material includes silica or metal phosphate,
The moisture absorption material is 1-20 wt% based on the total weight of the moisture-absorbing layer membrane electrode assembly.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 보습층의 BET 비표면적이 상기 촉매층의 BET 비표면적 보다 큰 막전극 접합체.
According to claim 1,
A membrane electrode assembly having a BET specific surface area of the moisturizing layer greater than a BET specific surface area of the catalyst layer.
제1 항에 있어서,
상기 보습층의 BET 비 표면적이 400-1,000m2/g 인 막전극 접합체.
According to claim 1,
A membrane electrode assembly having a BET specific surface area of the moisturizing layer of 400-1,000m 2 /g.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 보습층의 표면 산소 대 탄소 농도비가 상기 촉매층의 표면 산소 대 탄소 농도비 보다 큰 막전극 접합체.
According to claim 1,
A membrane electrode assembly having a surface oxygen-to-carbon concentration ratio of the moisturizing layer greater than a surface oxygen-to-carbon concentration ratio of the catalyst layer.
제1 항에 있어서,
상기 보습층의 다공성 소재의 표면 산소 대 탄소 농도비가 0.1-0.5 인 막전극 접합체.
According to claim 1,
A membrane electrode assembly having a surface oxygen to carbon concentration ratio of 0.1-0.5 of the porous material of the moisturizing layer.
제1 항에 있어서,
상기 보습층의 다공성 소재의 함량이 0.2-2 mg/cm2 인 막전극 접합체.
According to claim 1,
The content of the porous material of the moisture-retaining layer is 0.2-2 mg/cm 2 A membrane electrode assembly.
삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 보습층의 상기 다공성 소재의 기공의 20-80 %가 100-500nm 의 기공 크기를 갖는 막전극 접합체.
According to claim 1,
20-80% of the pores of the porous material of the moisturizing layer have a pore size of 100-500 nm.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 흡습 소재의 크기는 2-30nm 인 막전극 접합체.
According to claim 1,
The size of the moisture absorption material is 2-30nm membrane electrode assembly.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 촉매층은 카본계 담체 위에 담지된 촉매 금속을 포함하는 막전극 접합체.
According to claim 1,
The catalyst layer is a membrane electrode assembly comprising a catalyst metal supported on a carbon-based support.
제15 항에 있어서,
상기 촉매 금속은 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 티탄(Ti), 크롬(Cr) 및 이들 중 2 이상의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 막전극 접합체.
16. The method of claim 15,
The catalyst metal is platinum (Pt), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), tin (Sn), titanium (Ti), chromium (Cr), and at least one membrane electrode assembly selected from the group consisting of alloys of two or more thereof.
제1 항에 있어서,
상기 전해질막은 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 또는 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체.
According to claim 1,
The electrolyte membrane is poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, defluorinated sulfided polyether ketone, aryl ketone, poly (2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole (Poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), poly(2,5-benzimidazole) A membrane electrode assembly comprising at least one polymer electrolyte membrane selected from the group consisting of imidazole) or copolymers thereof.
복수개의 제1 항, 제3 항, 제4 항, 제6항 내지 제8 항, 제11 항, 제13 항, 제15 항 내지 제17 항 중의 어느 한 항에 따른 막전극 접합체가 바이폴라 플레이트에 의하여 연결된 연료전지.A plurality of claims 1, 3, 4, 6 to 8, 11, 13, and the membrane electrode assembly according to any one of claims 15 to 17 on a bipolar plate connected fuel cell.
KR1020130154104A 2013-12-11 2013-12-11 Membrane electrode assembly comprising water retaining layer and fuel cell using the same KR102287808B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130154104A KR102287808B1 (en) 2013-12-11 2013-12-11 Membrane electrode assembly comprising water retaining layer and fuel cell using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130154104A KR102287808B1 (en) 2013-12-11 2013-12-11 Membrane electrode assembly comprising water retaining layer and fuel cell using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150068193A KR20150068193A (en) 2015-06-19
KR102287808B1 true KR102287808B1 (en) 2021-08-09

Family

ID=53515814

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130154104A KR102287808B1 (en) 2013-12-11 2013-12-11 Membrane electrode assembly comprising water retaining layer and fuel cell using the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102287808B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014205033A1 (en) * 2014-03-18 2015-09-24 Volkswagen Ag Catalyst layer for a fuel cell and method for producing such

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002289230A (en) * 2001-03-23 2002-10-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd Polymer electrolyte fuel cell
JP2008270015A (en) 2007-04-23 2008-11-06 Toyota Motor Corp Manufacturing method of membrane electrode assembly
JP2012074319A (en) * 2010-09-30 2012-04-12 Japan Vilene Co Ltd Moisture control sheet, gas diffusion sheet, membrane-electrode assembly and solid polymer fuel cell

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101162472B1 (en) * 2009-12-31 2012-07-03 부산대학교 산학협력단 Fuel cell electrode and method of fabricating thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002289230A (en) * 2001-03-23 2002-10-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd Polymer electrolyte fuel cell
JP2008270015A (en) 2007-04-23 2008-11-06 Toyota Motor Corp Manufacturing method of membrane electrode assembly
JP2012074319A (en) * 2010-09-30 2012-04-12 Japan Vilene Co Ltd Moisture control sheet, gas diffusion sheet, membrane-electrode assembly and solid polymer fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150068193A (en) 2015-06-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102364857B1 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell including the same
KR102258909B1 (en) Membrane-electrode assembly, method for manufacturing the same, and fuel cell comprising the same
KR102189674B1 (en) Catalyst slurry for fuel cell, and electrode, membrane electrode assembly and fuel cell using the same
CN112042025B (en) Method for manufacturing membrane electrode assembly, membrane electrode assembly manufactured thereby, and fuel cell including membrane electrode assembly
JP6315348B2 (en) Catalyst layer for fuel cell and fuel cell
JP6222530B2 (en) Catalyst layer for fuel cell and fuel cell
JP5297786B2 (en) Anode catalyst layer of polymer electrolyte fuel cell
KR100953617B1 (en) Electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same, and fuel cell system comprising same
US20130216934A1 (en) Electrode catalyst for fuel cell, method of preparing the same, and membrane electrode assembly and fuel cell including electrode catalyst
KR102141881B1 (en) Nanostructured electrode for polymer electrolyte membrane fuel cell, and method for manufacturing the same
JP7145508B2 (en) Membrane catalyst layer assembly for electrochemical device, membrane electrode assembly, electrochemical device, method for manufacturing membrane catalyst layer assembly for electrochemical device
KR102287808B1 (en) Membrane electrode assembly comprising water retaining layer and fuel cell using the same
KR100976453B1 (en) Anode for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising the same, and fuel cell system comprising the same
KR102277903B1 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell using the same
JP2012074205A (en) Membrane electrode assembly and alkaline fuel cell
KR20140078402A (en) Membrane electrode assembly and fuel cell including the same
KR20070099935A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
KR20230078519A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell comprising linear porous silica nanoparticles and fuel cell comprising the same
KR100823503B1 (en) Polymer membrane for fuel cell, method for preparing same, membrane electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
KR20080041846A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, method of preparing same and fuel cell system comprising same
KR20070099121A (en) Anode for fuel cell and, membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising same
KR20230080750A (en) Polymer electrolyte membrane composite comprising patterned metal thin film, and membrane-electrolyte assembly comprising the same
KR20230084649A (en) Electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell comprising same
KR20230078521A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell comprising plate-shhaped porous silica and fuel cell comprising same
KR20230080749A (en) Electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell comprising same

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant