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KR102131483B1 - Membrane electrode assembly, fuel cell comprising the same and manufacturing method thereof - Google Patents

Membrane electrode assembly, fuel cell comprising the same and manufacturing method thereof Download PDF

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KR102131483B1
KR102131483B1 KR1020160160746A KR20160160746A KR102131483B1 KR 102131483 B1 KR102131483 B1 KR 102131483B1 KR 1020160160746 A KR1020160160746 A KR 1020160160746A KR 20160160746 A KR20160160746 A KR 20160160746A KR 102131483 B1 KR102131483 B1 KR 102131483B1
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membrane electrode
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ceria
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Abstract

본 명세서는 막 전극 접합체, 연료 전지 및 막 전극 접합체의 제조방법에 관한 것이다.This specification relates to a membrane electrode assembly, a fuel cell, and a method of manufacturing the membrane electrode assembly.

Description

막 전극 접합체, 연료 전지 및 막 전극 접합체의 제조방법{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY, FUEL CELL COMPRISING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Manufacturing method of membrane electrode assembly, fuel cell and membrane electrode assembly {MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY, FUEL CELL COMPRISING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 명세서는 막 전극 접합체, 연료 전지 및 막 전극 접합체의 제조방법에 관한 것이다. This specification relates to a membrane electrode assembly, a fuel cell, and a method of manufacturing the membrane electrode assembly.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목받고 있다.Recently, as the depletion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of these alternative energies, fuel cells are particularly attracting attention due to their advantages such as high efficiency, no emission of pollutants such as NOx and SOx, and rich use of fuel.

연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts the chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electrical energy, and hydrogen, hydrocarbons, such as methanol and butane, and oxygen, are typically used as fuel.

연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuel And SOFCs.

대한민국 특허공개 제 2003-0045324 호 (2003.06.11 공개)Republic of Korea Patent Publication No. 2003-0045324 (released on June 11, 2003)

본 명세서는 막 전극 접합체, 연료 전지 및 막 전극 접합체의 제조방법을 제공하고자 한다.This specification is intended to provide a method for manufacturing a membrane electrode assembly, a fuel cell and a membrane electrode assembly.

본 명세서는 캐소드 촉매층, 애노드 촉매층 및 상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되는 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체로서, 상기 캐소드 촉매층은 아민기로 표면처리된 세리아 입자를 포함하는 것인 막 전극 접합체를 제공한다. The present specification provides a membrane electrode assembly comprising a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer, and a polymer electrolyte membrane provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, wherein the cathode catalyst layer includes ceria particles surface-treated with an amine group. do.

또한, 본 명세서는 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공한다. In addition, the present specification provides a fuel cell including the membrane electrode assembly.

또한, 본 명세서는 캐소드 촉매층, 애노드 촉매층 및 상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되는 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체의 제조방법으로서, 아민기로 표면처리된 세리아 입자를 형성하는 단계; 및 상기 표면처리된 세리아 입자를 포함하는 촉매 잉크를 이용하여 상기 캐소드 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 막 전극 접합체의 제조방법을 제공한다. In addition, the present specification is a method of manufacturing a membrane electrode assembly comprising a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer and a polymer electrolyte membrane provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, the method comprising: forming ceria particles surface-treated with an amine group; And forming the cathode catalyst layer using a catalyst ink containing the surface-treated ceria particles.

본 명세서에 따른 막 전극 접합체는 극저가습조건에서 전지 성능의 내구성이 증가하는 장점이 있다.The membrane electrode assembly according to the present specification has an advantage of increasing durability of battery performance in extremely low humidity conditions.

도 1은 연료 전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 막 전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 연료 전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
1 is a schematic view showing the principle of electricity generation in a fuel cell.
2 is a view schematically showing the structure of a membrane electrode assembly.
3 is a view schematically showing an embodiment of a fuel cell.

이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in detail.

본 명세서는 캐소드 촉매층, 애노드 촉매층 및 상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되는 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체에 관한 것이다.The present specification relates to a membrane electrode assembly comprising a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer, and a polymer electrolyte membrane provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.

상기 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층은 각각 촉매 및 이오노머(ionomer)를 포함할 수 있다.The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer may each include a catalyst and an ionomer.

상기 촉매는 연료 전지에서 촉매의 역할을 할 수 있다면 그 종류를 한정하지 않으나, 백금, 전이금속 및 백금-전이금속 합금 중 하나를 포함할 수 있다. The catalyst is not limited as long as it can serve as a catalyst in a fuel cell, but may include one of platinum, a transition metal, and a platinum-transition metal alloy.

여기서, 전이금속은 주기율표에서 3 내지 11족 원소이며, 예를 들면, 루테늄, 오스뮴, 팔라듐, 몰리브덴 및 로듐 중 어느 하나일 수 있다. Here, the transition metal is a group 3 to 11 element in the periodic table, for example, it may be any one of ruthenium, osmium, palladium, molybdenum and rhodium.

구체적으로, 상기 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-몰리브덴 합금 및 백금-로듐 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.Specifically, the catalyst may be selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-molybdenum alloy and platinum-rhodium alloy, but is not limited thereto. Does not.

상기 촉매들은 그 자체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.The catalysts may be used on their own, and may be used supported on a carbon-based carrier.

상기 탄소계 담체로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P블랙(Super P black)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직한 예가 될 수 있다.Examples of the carbon-based carrier include graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, cachon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, carbon nanowire, A preferred example may be any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of fullerene (C60) and super P black.

상기 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질막으로 이동하기 위한 통로를 제공하여 주는 역할을 한다. The ionomer serves to provide a passage for ions generated by reaction between a fuel such as hydrogen or methanol and a catalyst to move to the electrolyte membrane.

상기 이오노머는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스폰산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 양이온 교환기를 갖는 고분자를 사용할 수 있다. As the ionomer, a polymer having 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 may be used in the side chain.

상기 이오노머는 탄화수소계 고분자, 부분불소계 고분자 또는 불소계 고분자일 수 있다.The ionomer may be a hydrocarbon-based polymer, a partially fluorine-based polymer, or a fluorine-based polymer.

상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리설폰계 고분자, 폴리에테르설폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택된 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다. The ionomer is a fluorine-based polymer, benzimidazole-based polymer, polyimide-based polymer, polyetherimide-based polymer, polyphenylene sulfide-based polymer, polysulfone-based polymer, polyethersulfone-based polymer, polyether ketone-based polymer, polyether -It may include one or more hydrogen ion conductive polymers selected from ether ketone-based polymers or polyphenylquinoxaline-based polymers.

상기 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층의 평균두께는 각각 독립적으로 5㎛ 이상 15㎛ 이하일 수 있다. 15㎛ 초과하는 경우 가스 투과에 문제가 되어 성능이 저하될 수 있으며, 5㎛ 미만인 경우 가스가 직접적으로 전해질 막에 닿아 단락(short-circuit)이 일어날 수 있다.The average thickness of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer may be 5 μm or more and 15 μm or less, respectively. If it exceeds 15 μm, gas permeation becomes a problem, and performance may be deteriorated. If it is less than 5 μm, a short-circuit may occur because the gas directly contacts the electrolyte membrane.

상기 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층 중 적어도 하나는 세리아 입자를 더 포함할 수 있으며, 구체적으로 친수성기로 표면처리된 세리아 입자를 더 포함할 수 있고, 더 구체적으로 아민기로 표면처리된 세리아 입자를 더 포함할 수 있다. At least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may further include ceria particles, and may further include ceria particles surface-treated with a hydrophilic group, and more specifically, ceria particles surface-treated with an amine group. have.

상기 캐소드 촉매층은 아민기로 표면처리된 세리아 입자를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우 세리아 입자의 표면의 아민기가 캐소드에서 물이 생성된 수분을 잡아 물 배출이 억제되어 극저가습에서의 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.The cathode catalyst layer preferably further comprises ceria particles surface-treated with an amine group. In this case, the amine group on the surface of the ceria particle catches moisture generated from water at the cathode, and thus water discharge is suppressed, thereby improving the performance at extremely low humidity.

연료전지의 반응물 가스는 물이 담긴 금속용기를 가열한 가습기(bubbler)를 통과하여 전지셀까지 가스라인에서 응축되지 않도록 가습기(bubbler)의 세팅온도 보다 가스라인의 온도를 약 10℃ 내지 30℃정도 높게 조절한다. 이때, 전지셀의 상대습도는 반응물 가스가 경유하게 되는 가습기내 물의 온도, 즉 이슬점 온도를 측정한 후 이를 전지셀의 온도를 기준으로 상대습도 환산 관계식에 따라 계산된다.The reactant gas in the fuel cell passes through a humidifier (bubbler) heated with a metal container containing water so that the temperature of the gas line is about 10°C to 30°C rather than the setting temperature of the humidifier (bubbler) so that it does not condense in the gas line to the battery cell. Adjust it high. At this time, the relative humidity of the battery cell is calculated according to the relative humidity conversion relation formula based on the temperature of the battery cell after measuring the temperature of the water in the humidifier through which the reactant gas passes, that is, the dew point temperature.

전해질막의 양성자 이온 전도도가 막 전극 접합체의 성능에 중요한 요소이고 이는 상대습도에 영향을 크게 받으므로, 상대습도는 상대습도에 따라 전해질막 양성자 이온전도도를 측정할 때, 전해질막 양성자 이온전도도의 변화폭이 큰 구간을 기준으로 구분했다.Since the proton ion conductivity of the electrolyte membrane is an important factor in the performance of the membrane electrode assembly, and it is greatly influenced by the relative humidity, the relative humidity is the variation of the electrolyte membrane proton ion conductivity when measuring the electrolyte membrane proton ion conductivity according to the relative humidity. It was classified based on a large section.

구체적으로, 저가습 조건에서 습도 조건은 셀온도 70℃에서 측정된 상대습도를 의미하며, 본 명세서에서, 저가습 조건은 상대습도가 40% 초과 65% 이하인 경우이며, 극저가습 조건은 상대습도가 0% 이상 40% 이하인 경우를 의미한다.Specifically, in the low-humidity condition, the humidity condition means a relative humidity measured at a cell temperature of 70°C. In this specification, the low-humidity condition is a case where the relative humidity is more than 40% and 65% or less, and the extremely low-humidity condition is the relative humidity. It means the case of 0% or more and 40% or less.

상기 캐소드 촉매층 내 촉매의 중량을 기준으로, 상기 세리아 입자의 함량은 0.01중량% 이상 5중량% 이하일 수 있다. 이 경우 흡습하는 성질을 가진 아민기가 효과적으로 막 전극 접합체 내에 수분을 잡아두어 전지성능 향상에 도움을 주는 장점이 있다.Based on the weight of the catalyst in the cathode catalyst layer, the content of the ceria particles may be 0.01% by weight or more and 5% by weight or less. In this case, the amine group having the property of absorbing moisture has the advantage of effectively trapping moisture in the membrane electrode assembly to help improve battery performance.

연료전지의 캐소드에서의 산소(oxygen)반응 중에 불완전 반응으로 인해 생성되는 OH 라디칼(radical)이 전해질막 내로 들어가는 경우 화학적 분해(chemical degradation)를 일으킨다.When the OH radical generated due to an incomplete reaction during the oxygen reaction at the cathode of the fuel cell enters the electrolyte membrane, chemical degradation occurs.

상기 캐소드 촉매층에 포함된 아민기로 표면처리된 세리아 입자가 캐소드에서 생성된 OH 라디칼에 수소원자를 주어 라디칼을 소거할 수 있다. The ceria particles surface-treated with an amine group included in the cathode catalyst layer may give a hydrogen atom to the OH radical generated in the cathode to eliminate radicals.

상기 세리아 입자의 평균직경은 1nm 이상 5000nm 이하일 수 있다. 이 경우 막 전극 접합체의 성능 저하 없이 효과적으로 라디칼 스케빈저(radical scavenger)로서 OH 라디칼 소거할 수 있는 장점이 있다.The ceria particles may have an average diameter of 1 nm or more and 5000 nm or less. In this case, there is an advantage in that OH radical scavenging can be effectively performed as a radical scavenger without deteriorating the performance of the membrane electrode assembly.

상기 막 전극 접합체는 상기 캐소드 촉매층의 면 중 전해질막이 구비된 면의 반대면에 구비된 캐소드 기체확산층, 및 상기 애노드 촉매층의 면 중 전해질막이 구비된 면의 반대면에 구비된 애노드 기체확산층을 더 포함할 수 있다. The membrane electrode assembly further includes a cathode gas diffusion layer provided on an opposite side of the cathode catalyst layer provided with an electrolyte membrane, and an anode gas diffusion layer provided on an opposite side of the anode catalyst layer provided with an electrolyte membrane. can do.

상기 애노드 기체확산층 및 캐소드 기체확산층은 촉매층의 일면에 각각 구비되며, 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층은 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다.The anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are respectively provided on one surface of the catalyst layer, and have a porous structure as a passage for reaction gas and water together with a role as a current conductor. Therefore, the gas diffusion layer may be formed of a conductive substrate.

상기 도전성 기재로는 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있으나, 예를 들면 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있으며 이에 한정되지 않는다.As the conductive substrate, a conventional material known in the art may be used, but, for example, carbon paper, carbon cloth, or carbon felt may be preferably used and limited thereto. Does not work.

상기 기체확산층의 평균두께는 100㎛ 이상 500㎛ 이하일 수 있다. 이 경우 가스확산층을 통한 반응물가스 전달 저항 최소화와 가스확산층 내 적정수분 함유 관점에서 최적의 상태가 되는 장점이 있다.The average thickness of the gas diffusion layer may be 100 μm or more and 500 μm or less. In this case, there is an advantage of minimizing the resistance of transfer of reactant gas through the gas diffusion layer and being in an optimal state from the viewpoint of containing adequate moisture in the gas diffusion layer.

상기 고분자 전해질막은 상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되며, 상기 고분자 전해질막에 포함된 고분자는 이온 전도성 고분자일 수 있다. The polymer electrolyte membrane is provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and the polymer contained in the polymer electrolyte membrane may be an ion conductive polymer.

상기 이온 전도성 고분자는 탄화수소계 고분자, 부분불소계 고분자 또는 불소계 고분자일 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 전해질막은 탄화수소계 고분자 전해질막 또는 불소계 고분자 전해질막일 수 있으며, 바람직하게는 상기 전해질막은 탄화수소계 고분자 전해질막일 수 있다.The ion conductive polymer may be a hydrocarbon-based polymer, a partially fluorine-based polymer, or a fluorine-based polymer. Specifically, the polymer electrolyte membrane may be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane or a fluorine-based polymer electrolyte membrane, and preferably, the electrolyte membrane may be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane.

상기 탄화수소계 고분자는 플루오린기가 없는 탄화수소계 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있으며, 반대로 불소계 고분자는 플루오린기로 포화된 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있고, 상기 부분불소계 고분자는 플루오린기로 포화되지 않은 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있다.The hydrocarbon-based polymer may be a hydrocarbon-based sulfonated polymer without a fluorine group, and on the contrary, the fluorine-based polymer may be a sulfonated polymer saturated with a fluorine group, and the partially fluorine-based polymer may not be saturated with a fluorine group. It may be a non-sulfonated polymer.

상기 이온 전도성 고분자는 퍼플루오르술폰산계 고분자, 탄화수소계 고분자, 방향족 술폰계 고분자, 방향족 케톤계 고분자, 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리페닐렌옥사이드계 고분자, 폴리포스파젠계 고분자, 폴리에틸렌나프탈레이트계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 도핑된 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리피롤계 고분자 및 폴리아닐린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 고분자일 수 있다. 상기 고분자는 술폰화(sulfonated)하여 사용될 수 있으며, 단일 공중합체, 교대 공중합체, 랜덤 공중합체, 블록 공중합체, 멀티블록 공중합체 또는 그라프트 공중합체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The ion conductive polymer is a perfluorsulfonic acid polymer, a hydrocarbon polymer, an aromatic sulfone polymer, an aromatic ketone polymer, a polybenzimidazole polymer, a polystyrene polymer, a polyester polymer, a polyimide polymer, polyvinylidene fluorine Ride-based polymer, polyether sulfone-based polymer, polyphenylene sulfide-based polymer, polyphenylene oxide-based polymer, polyphosphazene-based polymer, polyethylene naphthalate-based polymer, polyester-based polymer, doped polybenzimidazole-based polymer, It may be one or more polymers selected from the group consisting of polyether ketone polymers, polyether ether ketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers, polysulfone polymers, polypyrrole polymers, and polyaniline polymers. The polymer may be sulfonated, and may be a single copolymer, an alternating copolymer, a random copolymer, a block copolymer, a multi-block copolymer, or a graft copolymer, but is not limited thereto.

상기 고분자 전해질막은 탄화수소계 고분자인 것이 바람직하며, 상기 친수성 블록과 소수성 블록을 포함하는 블록형 공중합체인 탄화수소계 고분자일 수 있다. The polymer electrolyte membrane is preferably a hydrocarbon-based polymer, and may be a hydrocarbon-based polymer that is a block-type copolymer including the hydrophilic block and hydrophobic block.

상기 고분자 전해질막의 평균두께는 1㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다.The average thickness of the polymer electrolyte membrane may be 1 μm or more and 100 μm or less.

본 명세서는 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공한다. The present specification provides a fuel cell including the membrane electrode assembly.

도 1은 연료 전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 연료 전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막 전극 접합체(MEA)인데, 이는 전해질막(M)과 이 전해질막(M)의 양면에 형성되는 애노드(A) 및 캐소드(C)로 구성된다. 연료 전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 애노드(A)에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료(F)의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 수소 이온은 전해질막(M)을 통해 캐소드(C)으로 이동한다. 캐소드(C)에서는 전해질막(M)을 통해 전달된 수소 이온과, 산소와 같은 산화제(O) 및 전자가 반응하여 물(W)이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.FIG. 1 schematically shows the principle of electricity generation in a fuel cell, and in a fuel cell, the most basic unit for generating electricity is a membrane electrode assembly (MEA), which is an electrolyte membrane M and this electrolyte membrane M It consists of an anode (A) and a cathode (C) formed on both sides of. Referring to Fig. Showing the electricity generating principle of a fuel cell 1, an anode (A) in the hydrogen or methanol, butane and the oxidation of the fuel (F) of the hydrocarbon and so on up the hydrogen ions (H +) and electron (e -), such as Is generated, and hydrogen ions move to the cathode C through the electrolyte membrane M. In the cathode C, hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane M react with oxidizing agent O such as oxygen and electrons to generate water W. The reaction causes electron movement to occur in the external circuit.

도 2에 도시된 바와 같이, 막 전극 접합체는 전해질막(10)과, 이 전해질막(10)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 캐소드(50) 및 애노드(51)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 캐소드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 구비된 캐소드 촉매층(20)과 캐소드 기체확산층(30)을 포함하고, 애노드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 구비된 애노드 촉매층(21)과 애노드 기체확산층 (31)을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly may include an electrolyte membrane 10 and a cathode 50 and an anode 51 positioned to face each other with the electrolyte membrane 10 interposed therebetween. Specifically, the cathode includes the cathode catalyst layer 20 sequentially provided from the electrolyte membrane 10 and the cathode gas diffusion layer 30, and the anode includes the anode catalyst layer 21 and the anode sequentially provided from the electrolyte membrane 10. It may include a gas diffusion layer (31).

도 3은 연료 전지의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료 전지는 스택(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.3 schematically illustrates the structure of a fuel cell, and the fuel cell includes a stack 60, an oxidizing agent supply unit 70, and a fuel supply unit 80.

스택(60)은 상술한 막 전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막 전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 막 전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.The stack 60 includes one or more of the above-described membrane electrode assemblies, and when two or more membrane electrode assemblies are included, includes a separator interposed therebetween. The separator serves to prevent the electrical connection of the membrane electrode assemblies and transfer fuel and oxidant supplied from the outside to the membrane electrode assembly.

산화제 공급부(70)는 산화제를 스택(60)으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(70)로 주입하여 사용할 수 있다.The oxidizing agent supply unit 70 serves to supply the oxidizing agent to the stack 60. As an oxidizing agent, oxygen is typically used, and oxygen or air may be injected into the pump 70 to be used.

연료 공급부(80)는 연료를 스택(60)으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료 탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.The fuel supply unit 80 serves to supply fuel to the stack 60, and a fuel tank 81 for storing fuel and a pump 82 for supplying fuel stored in the fuel tank 81 to the stack 60. Can be configured. The fuel may be gaseous or liquid hydrogen or hydrocarbon fuel. Examples of hydrocarbon fuels include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 명세서는 캐소드 촉매층, 애노드 촉매층 및 상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되는 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체의 제조방법으로서, 아민기로 표면처리된 세리아 입자를 형성하는 단계; 및 상기 표면처리된 세리아 입자를 포함하는 촉매 잉크를 이용하여 상기 캐소드 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 막 전극 접합체의 제조방법을 제공한다.The present specification is a method of manufacturing a membrane electrode assembly comprising a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer, and a polymer electrolyte membrane provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, the method comprising: forming ceria particles surface-treated with an amine group; And forming the cathode catalyst layer using a catalyst ink containing the surface-treated ceria particles.

상기 막 전극 접합체의 제조방법은 고분자 전해질막을 형성하는 단계; 상기 고분자 전해질막의 일면에 캐소드 촉매층을 형성하는 단계; 및 상기 고분자 전해질막의 타면에 애노드 촉매층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. The method of manufacturing the membrane electrode assembly includes forming a polymer electrolyte membrane; Forming a cathode catalyst layer on one surface of the polymer electrolyte membrane; And forming an anode catalyst layer on the other surface of the polymer electrolyte membrane.

상기 고분자 전해질막을 형성하는 단계는 고분자 전해질막용 조성물로 순수한 막을 형성하거나, 다공성 기재에 고분자 전해질막용 조성물을 함침하여 강화막을 형성하거나, 1 이상의 순수한 막과 1이상의 강화막을 포함하는 복합막을 형성할 수 있다.The forming of the polymer electrolyte membrane may include forming a pure membrane with a composition for a polymer electrolyte membrane, or forming a reinforcement membrane by impregnating a composition for a polymer electrolyte membrane on a porous substrate, or forming a composite membrane including one or more pure membranes and one or more reinforcement membranes. .

촉매층을 고분자 전해질막에 도입하는 방법은 촉매 잉크를 고분자 전해질막에 직접적으로 코팅하거나, 이형성 기재에 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질막에 열압착하고 이형성 기재를 제거하여 형성하거나, 기체확산층에 코팅하여 촉매층을 형성하고 촉매층이 구비된 기체확산층과 고분자 전해질막의 조립으로 인해 촉매층을 도입할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 잉크젯 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다.The method of introducing the catalyst layer into the polymer electrolyte membrane is by directly coating the catalyst ink on the polymer electrolyte membrane, or by forming a catalyst layer on the release substrate, followed by thermocompression bonding to the polymer electrolyte membrane and removal of the release substrate, or by coating the gas diffusion layer. The catalyst layer may be formed and the catalyst layer may be introduced due to assembly of the gas diffusion layer provided with the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane. In this case, the coating method of the catalyst ink is not particularly limited, but spray coating, tape casting, screen printing, blade coating, inkjet coating, die coating or spin coating may be used.

상기 아민기로 표면처리된 세리아 입자를 형성하는 단계는, 수산기를 갖는 세리아; 및 상기 세리아의 수산기와 반응가능한 기능기 및 아민기를 갖는 화합물을 반응시켜 상기 세리아의 표면을 아민기를 갖는 화합물로 표면처리하는 단계를 포함할 수 있다.The step of forming the ceria particles surface-treated with the amine group may include ceria having a hydroxyl group; And reacting a compound having a functional group and an amine group capable of reacting with the hydroxyl group of ceria to surface-treat the surface of the ceria with a compound having an amine group.

상기 아민기로 표면처리된 세리아 입자를 형성하는 단계는 수산기를 갖는 세리아를 알코올계 용매에 분산시키는 단계; 상기 세리아의 수산기와 반응가능한 기능기 및 아민기를 갖는 화합물을 반응시켜 상기 세리아의 표면을 아민기를 갖는 화합물로 표면처리하는 단계; 표면처리된 세리아를 세척하는 단계; 및 건조하는 단계를 포함할 수 있다. The step of forming the ceria particles surface-treated with the amine group may include dispersing ceria having a hydroxyl group in an alcohol-based solvent; Reacting a compound having a functional group and an amine group capable of reacting with the hydroxyl group of ceria to surface-treat the surface of the ceria with a compound having an amine group; Washing the surface-treated ceria; And drying.

상기 세리아의 수산기와 반응가능한 기능기는 수소, 메탄기(-CH3)를 포함하는 알킬기, 히드록시기(-0H) 및 할로겐기 중 적어도 하나일 수 있다. The functional group capable of reacting with the hydroxyl group of ceria may be at least one of hydrogen, an alkyl group including a methane group (-CH 3 ), a hydroxyl group (-0H), and a halogen group.

상기 아민기는 1차 아민기, 2차 아민기, 3차 아민기 및 4차 아민기를 포함하며, 상기 아민기는 1차 아민기(-NH2)인 것이 바람직하다. The amine group includes a primary amine group, a secondary amine group, a tertiary amine group and a quaternary amine group, and the amine group is preferably a primary amine group (-NH 2 ).

상기 세리아의 수산기와 반응가능한 기능기 및 아민기를 갖는 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다. The compound having a functional group and an amine group capable of reacting with the hydroxyl group of ceria may be a compound represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112016117174495-pat00001
Figure 112016117174495-pat00001

상기 화학식 1에서, L은 직접결합, -O-, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 아릴기이고, R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 하기 화학식 2로 표시되는 치환기이다. In Formula 1, L is a direct bond, -O-, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted aryl group, R1 to R3 are the same or different from each other, and each independently a carbon number It is an alkyl group of 1 to 5 or a substituent represented by the following formula (2).

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112016117174495-pat00002
Figure 112016117174495-pat00002

상기 화학식 2에서, R4는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고, In Chemical Formula 2, R4 is an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms,

Figure 112016117174495-pat00003
는 결합위치이다.
Figure 112016117174495-pat00003
Is the binding position.

상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 12인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 헵틸기 등이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.The alkyl group may be straight chain or branched chain, and the number of carbon atoms is not particularly limited, but is preferably 1 to 12. Specific examples include, but are not limited to, methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, t-butyl, pentyl, hexyl, heptyl, and the like.

상기 할로겐기는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드일 수 있다.The halogen group may be fluorine, chlorine, bromine or iodine.

상기 아릴기는 단환식 또는 다환식일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 6 내지 60인 것이 바람직하다. 아릴기의 구체적인 예로는 페닐기, 비페닐기, 트라이페닐기, 터페닐기, 스틸벤기 등의 단환식 방향족 및 나프틸기, 비나프틸기, 안트라세닐기, 페난트레닐기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 테트라세닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 아세나프타센닐기, 트리페닐렌기, 플루오란텐(fluoranthene)기 등의 다환식 방향족 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.The aryl group may be monocyclic or polycyclic, and the number of carbon atoms is not particularly limited, but is preferably 6 to 60. Specific examples of the aryl group include monocyclic aromatic and naphthyl groups such as phenyl group, biphenyl group, triphenyl group, terphenyl group, and stilbene group, binaphthyl group, anthracenyl group, phenanthrenyl group, pyrenyl group, perenylenyl group, tetrasenyl group Polycyclic aromatics such as a group, a chrysenyl group, a fluorenyl group, an acenaphthacenyl group, a triphenylene group, and a fluoranthene group, but are not limited thereto.

본 명세서에서 "치환 또는 비치환" 이라는 용어는 1 이상의 아민기로 치환되었거나, 또는 어떠한 치환기도 갖지 않는 것을 의미한다.The term "substituted or unsubstituted" herein means substituted with one or more amine groups, or having no substituents.

상기 세리아의 수산기와 반응가능한 기능기 및 아민기를 갖는 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물일 수 있다.The compound having a functional group and an amine group capable of reacting with the hydroxyl group of ceria may be a compound represented by the following Chemical Formula 3.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112016117174495-pat00004
Figure 112016117174495-pat00004

상기 세리아의 수산기와 반응가능한 기능기 및 아민기를 갖는 화합물을 반응시켜 상기 세리아의 표면을 아민기를 갖는 화합물로서 상기 화학식 3의 화합물로 표면처리하는 경우, 하기 반응식 1과 같은 반응을 통해 세리아가 표면처리될 수 있다. When the surface of the ceria is surface-treated as a compound having an amine group by reacting a compound having a functional group and an amine group capable of reacting with the hydroxyl group of the ceria, ceria is surface-treated through the reaction as shown in the following reaction formula 1 Can be.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112016117174495-pat00005
Figure 112016117174495-pat00005

이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail through examples. However, the following examples are only intended to illustrate the present specification and are not intended to limit the present specification.

[실시예][Example]

[실시예 1][Example 1]

0.3g 세리아(평균직경: 25nm)를 15ml의 에탄올에 넣고 소니케이션(sonication)을 1시간 동안 했다. 여기에 0.3ml의 APTMS((3-Aminopropyl)trimethoxysilane)를 첨가하여 상온에서 6시간 동안 교반했다. 이후, 표면처리된 세리아를 분리하여 세척하고 오븐에서 건조했다.0.3 g ceria (average diameter: 25 nm) was added to 15 ml of ethanol and sonication was performed for 1 hour. To this, 0.3 ml of APTMS ((3-Aminopropyl)trimethoxysilane) was added and stirred at room temperature for 6 hours. Thereafter, the surface-treated ceria was separated, washed, and dried in an oven.

3M 825 불소계 이오노머를 1-프로판올(1-propanol)과 글리세롤(glycerol)을 함께 혼합했다. 이 후 표면처리된 세리아를 혼합된 용액에 첨가한 후 (촉매 대비 0.5wt%) 1시간 동안 초음파 분산을 진행했다. 30분간 2℃로 저온 유지시킨 후, 용액에 Tanaka사에서 판매하는 TEC 10V50E 촉매를 이오노머(I, Ionomer)와 카본(C, Carbon)의 질량비율(I/C)을 0.6에 맞추어 첨가했다. 1시간 동안 초음파 분산 후 전극 슬러리를 완성했다. 준비된 전극 슬러리를 이용하여 클린 벤치(clean bench) 내 어플리케이터(applicator)의 수평판 위에서 닥터 블레이드를 이용하여 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 필름 위에 전극 촉매층을 캐스팅한 후 35℃에서 30분 동안, 140℃에서 30분 동안 건조하여 최종적으로 전극촉매층을 제조하였다.3M 825 fluorine-based ionomer was mixed with 1-propanol and glycerol. After this, after the surface-treated ceria was added to the mixed solution (0.5 wt% compared to the catalyst), ultrasonic dispersion was performed for 1 hour. After maintaining at a low temperature of 2° C. for 30 minutes, a TEC 10V50E catalyst sold by Tanaka was added to the solution in accordance with the mass ratio (I/C) of ionomers (I, Ionomer) and carbon (C, Carbon) to 0.6. After ultrasonic dispersion for 1 hour, the electrode slurry was completed. Using the prepared electrode slurry, cast an electrode catalyst layer on a PTFE (Polytetrafluoroethylene) film using a doctor blade on a horizontal plate of an applicator in a clean bench, and then 30 minutes at 140°C for 30 minutes at 35°C. During drying, the electrode catalyst layer was finally prepared.

전극촉매층을 적용한 막 전극 접합체의 평가를 진행하였다. 이때, 전해질막은 sPEEK(sulfonated Polyetheretherketone)계 탄화수소계 막을 사용하였으며, 가스확산층(GDL)은 SGL사 10BB를 사용하였고, 두께는 380μm ~ 420 μm의 범위를 가지는 것을 사용했다. GDL의 압축률은 25%로 설정하였고 이를 유지시키기 위해 글래스 파이버 시트(glass fiber sheet)를 사용하였다. 막 전극 접합체의 활성 면적은 25 cm2으로 제조했다.The membrane electrode assembly to which the electrode catalyst layer was applied was evaluated. At this time, as the electrolyte membrane, a sPEEK (sulfonated polyetheretherketone)-based hydrocarbon membrane was used, and the gas diffusion layer (GDL) used SGL's 10BB, and a thickness of 380 μm to 420 μm was used. The compression ratio of GDL was set to 25% and a glass fiber sheet was used to maintain it. The active area of the membrane electrode assembly was 25 cm 2 .

[실시예 2][Example 2]

표면처리된 세리아의 함량을 촉매 대비 1wt%로 첨가한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 전극촉매층 및 막 전극 접합체를 제조했다.An electrode catalyst layer and a membrane electrode assembly were prepared in the same manner as in Example 1, except that the content of the surface-treated ceria was added at 1 wt% compared to the catalyst.

[비교예 1][Comparative Example 1]

표면처리된 세리아를 첨가하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 전극촉매층 및 막 전극 접합체를 제조했다.An electrode catalyst layer and a membrane electrode assembly were prepared in the same manner as in Example 1, except that the surface-treated ceria was not added.

[비교예 2][Comparative Example 2]

표면처리된 세리아 대신 표면처리하지 않은 세리아를 촉매 대비 0.5wt%의 함량으로 첨가한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 전극촉매층 및 막 전극 접합체를 제조했다.An electrode catalyst layer and a membrane electrode assembly were prepared in the same manner as in Example 1, except that the surface-treated ceria was added in an amount of 0.5 wt% compared to the catalyst instead of the surface-treated ceria.

[실험예 1][Experimental Example 1]

내구성 평가Durability evaluation

실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2의 단위전지를 내구성 평가를 진행했다. 내구성 평가는 미국 에너지부 (Department of Energy, DOE)의 OCV(Open-circuit voltage, 개방회로전압) 가압 장기 내구 평가 프로토콜에 의거하여 진행하였으며, 90℃, 30%RH, 1.5 bar 가압된 조건에서 하기 표 1과 같은 내구성 평가를 88시간 동안 진행하였다.The unit cells of Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 2 were evaluated for durability. Durability evaluation was conducted according to the U.S. Department of Energy's (Department of Energy, DOE) OCV (Open Circuit Voltage) pressurized long-term durability evaluation protocol, and at 90°C, 30%RH, and 1.5 bar pressurized conditions Durability evaluation as shown in Table 1 was conducted for 88 hours.

Figure 112016117174495-pat00006
Figure 112016117174495-pat00006

실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2의 단위전지에 대한 내구성 평가 전/후의 OCV 및 전지 성능을 나라셀의 PEMFC station 장비를 이용하여 constant current 모드로 I-V 성능을 측정했다. 구체적으로, 0~1,500mA/cm2 범위를 스캔하여 측정하였으며, 0mA/cm2에서의 V 값을 OCV 값, 성능값은 0.6V에서의 mA/cm2 값을 나타낸 것이다. 셀의 온도는 70℃, 상대습도는 50%, 32% RH 조건으로 운전하여 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타냈다.The performance of OCV and battery performance before and after durability evaluation for the unit cells of Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 2 was measured using constant current mode IV performance using PEMFC station equipment of Nara Cell. Specifically, 0 ~ 1,500mA / cm 2 was measured by scanning the range, the value of V in 0mA / cm 2 OCV value, the performance value shows the mA / cm 2 in value of 0.6V. The temperature of the cell was measured by operating under conditions of 70°C, relative humidity of 50%, and 32% RH. Table 2 shows the results.

MEAMEA 습도조건Humidity condition 내구성 평가 전Before durability evaluation 내구성 평가 후After durability evaluation OCVOCV 성능(@0.6V)
(mA/cm2)
Performance (@0.6V)
(mA/cm 2 )
OCVOCV 성능(@0.6V)
(mA/cm2)
Performance (@0.6V)
(mA/cm 2 )
비교예 1Comparative Example 1 50%50% 0.9380.938 1,2571,257 0.8400.840 840840 32%32% 0.9550.955 1,0341,034 0.8380.838 735735 비교예 2Comparative Example 2 50%50% 0.9540.954 1,2261,226 0.9420.942 1,1151,115 32%32% 0.9750.975 1,0351,035 0.9350.935 0.9750.975 실시예 1Example 1 50%50% 0.9680.968 1,2971,297 0.9550.955 1,2361,236 32%32% 0.9720.972 1,1581,158 0.9520.952 1,0981,098 실시예 2Example 2 50%50% 0.9550.955 1,2631,263 0.9420.942 1,1691,169 32%32% 0.9710.971 1,1331,133 0.9530.953 1,1221,122

상기 표 2를 통하여, 비교예 1와 비교하여 세리아가 포함된 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2가 모두 내구성 평가 후 OCV 수치가 거의 하락하지 않았음을 확인할 수 있다. 이는 세리아가 전극에서 OH 라디칼을 효과적으로 막아 막 전극 접합체의 내구성을 강화시키는 효과가 있다는 점을 확인할 수 있으며, 동시에 아민기로 표면처리된 세리아 역시 동일하게 효과가 있음을 확인할 수 있다.Through Table 2, it can be seen that compared to Comparative Example 1, Comparative Example 2, Example 1, and Example 2 containing ceria had almost no OCV value after durability evaluation. This confirms that ceria effectively prevents the OH radical from the electrode, thereby enhancing the durability of the membrane electrode assembly. At the same time, it can be confirmed that ceria surface-treated with an amine group also has the same effect.

또한, 비교예 2와 실시예 1, 2를 비교하였을 때, 내구 평가 전 극저가습 성능에서 실시예의 성능이 높음을 확인할 수 있다. 특히 50% RH 조건보다 32% RH 조건에서 성능 향상 폭이 큰 결과로 보았을 때, 아민기로 표면처리된 세리아가 표면의 아민기로 인하여 극저가습 조건에서도 물을 효과적으로 막 전극 접합체에 잡아두어 효과적으로 성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다. In addition, when comparing Comparative Example 2 and Examples 1 and 2, it can be confirmed that the performance of the example is high in the extremely low-humidity performance before the durability evaluation. In particular, when viewed as a result of a large improvement in performance under 32% RH condition than 50% RH condition, the amine group-treated ceria effectively improves performance by effectively holding water to the membrane electrode assembly even under extremely low-humidity conditions due to the amine group on the surface. You can confirm that you can.

또한, 비교예 2와 실시예 1, 2를 비교하였을 때, 실시예 1 및 2가 내구 평가 후 극저가습 성능에서 성능 하락 폭이 비교예 2보다 낮음을 확인할 수 있다. 이는 전해질막의 내구가 하락하더라도 전극에서 흡습성이 있는 입자가 성능의 하락을 막아줄 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히, 실시예 1과 2를 비교하였을 때, 입자의 함량이 늘어날 경우 극저가습에서의 성능 향상의 효과가 커지는 것을 확인할 수 있다.In addition, when comparing Comparative Examples 2 and Examples 1 and 2, it can be seen that Examples 1 and 2 had a lower performance drop than Comparative Example 2 in extremely low-humidity performance after durability evaluation. It can be seen that even if the durability of the electrolyte membrane decreases, the particles having hygroscopicity in the electrode can prevent the performance from dropping. In particular, when comparing Examples 1 and 2, it can be seen that when the content of the particles increases, the effect of improving performance in extremely low humidity increases.

10: 전해질막
20: 캐소드 촉매층
21: 애노드 촉매층
30: 캐소드 기체확산층
31: 애노드 기체확산층
50: 캐소드
51: 애노드
60: 스택
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료탱크
82: 펌프
10: electrolyte membrane
20: cathode catalyst layer
21: anode catalyst layer
30: cathode gas diffusion layer
31: anode gas diffusion layer
50: cathode
51: anode
60: stack
70: oxidizing agent supply unit
80: fuel supply
81: fuel tank
82: Pump

Claims (6)

캐소드 촉매층, 애노드 촉매층 및 상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되는 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체로서,
상기 캐소드 촉매층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물로 표면처리된 세리아 입자를 포함하는 것인 막 전극 접합체:
[화학식 1]
Figure 112020024587866-pat00010

상기 화학식 1에서, L은 직접결합, -O-, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 아릴기이고, R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 하기 화학식 2로 표시되는 치환기이며,
[화학식 2]
Figure 112020024587866-pat00011

상기 화학식 2에서, R4는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고,
Figure 112020024587866-pat00012
는 결합위치이다.
A membrane electrode assembly comprising a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer, and a polymer electrolyte membrane provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer,
The cathode catalyst layer is a membrane electrode assembly comprising a ceria particle surface-treated with a compound represented by the following formula (1):
[Formula 1]
Figure 112020024587866-pat00010

In Chemical Formula 1, L is a direct bond, -O-, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted aryl group, and R1 to R3 are the same or different from each other, and each independently has a carbon number. It is an alkyl group of 1 to 5 or a substituent represented by the following formula (2),
[Formula 2]
Figure 112020024587866-pat00011

In Chemical Formula 2, R4 is an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms,
Figure 112020024587866-pat00012
Is the binding position.
청구항 1에 있어서, 상기 캐소드 촉매층 내 촉매의 중량을 기준으로, 상기 세리아 입자의 함량은 0.01중량% 이상 5중량% 이하인 것인 막 전극 접합체.The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the content of the ceria particles is 0.01% by weight or more and 5% by weight or less based on the weight of the catalyst in the cathode catalyst layer. 청구항 1에 있어서, 상기 세리아 입자의 평균직경은 1nm 이상 5000nm 이하인 것인 막 전극 접합체.The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the ceria particles have an average diameter of 1 nm to 5000 nm. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항의 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지.A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 1. 캐소드 촉매층, 애노드 촉매층 및 상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되는 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체의 제조방법으로서,
하기 화학식 1로 표시되는 화합물로 표면처리된 세리아 입자를 형성하는 단계; 및
상기 표면처리된 세리아 입자를 포함하는 촉매 잉크를 이용하여 상기 캐소드 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 막 전극 접합체의 제조방법:
[화학식 1]
Figure 112020024587866-pat00013

상기 화학식 1에서, L은 직접결합, -O-, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 아릴기이고, R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 하기 화학식 2로 표시되는 치환기이며,
[화학식 2]
Figure 112020024587866-pat00014

상기 화학식 2에서, R4는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고,
Figure 112020024587866-pat00015
는 결합위치이다.
A method of manufacturing a membrane electrode assembly comprising a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer and a polymer electrolyte membrane provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer,
Forming ceria particles surface-treated with a compound represented by Formula 1 below; And
Method of manufacturing a membrane electrode assembly comprising the step of forming the cathode catalyst layer using a catalyst ink containing the surface-treated ceria particles:
[Formula 1]
Figure 112020024587866-pat00013

In Chemical Formula 1, L is a direct bond, -O-, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted aryl group, and R1 to R3 are the same or different from each other, and each independently has a carbon number. It is an alkyl group of 1 to 5 or a substituent represented by the following formula (2),
[Formula 2]
Figure 112020024587866-pat00014

In Chemical Formula 2, R4 is an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms,
Figure 112020024587866-pat00015
Is the binding position.
청구항 5에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로 표면처리된 세리아 입자를 형성하는 단계는,
수산기를 갖는 세리아; 및 상기 세리아의 수산기와 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 반응시켜 상기 세리아의 표면을 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로 표면처리하는 단계를 포함하는 것인 막 전극 접합체의 제조방법.
The method according to claim 5, Forming a ceria particles surface-treated with the compound represented by the formula (1),
Ceria having hydroxyl groups; And reacting the ceriaic hydroxyl group with the compound represented by Formula 1 to surface-treat the surface of the ceria with a compound represented by Formula 1.
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