KR100599719B1 - 연료 전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 고분자 전해질 막 및 그를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료 전지용 고분자 전해질 막은 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 수소 이온 전도성 고분자를 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112004055005913-pat00001
[화학식 2]
HM(OR7)2
(상기 화학식 1 또는 2에서,
M은 Al, Au, Co, Cr, Fe, Ce, In, Mn, Ti, 또는 V이고,
R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 독립적으로 H 또는 C1 내지 C3의 알킬기 또는 M이고,
x는 M의 원자가에 따라 0 또는 1이고,
a, b 및 c는 동일하거나 서로 독립적으로 10 내지 1000의 정수이며,
l, m 및 n은 동일하거나 서로 독립적으로 1 내지 6의 정수이며,
R7은 (CH2CH)q(CH2CH OCOR8)r이고, 여기서 R8은 C1 내지 C3의 알킬기이고, q는 1 내지 5의 정수이고, r은 5 내지 1000의 정수이다).
본 발명의 고분자는 경제적이며, 수소 이온 전도성이 우수하고, 기계적 강도가 우수한 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제공할 수 있다.
연료전지,고분자전해질,Al,금속고분자착체

Description

연료 전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{POLYMER ELECTROLYTE FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 구성을 나타낸 개략도.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 경제적이며, 다양한 물성을 갖는 연료 전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 기체와 탄화 수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동 되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막/전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate))로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막/전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가진다.
상기 고분자 전해질 막은 나피온(Nafion, DuPont사 제조의 상품명), 프레미온(Flemion, Asahi Glass사 제조의 상품명), 아시프렉스(Asiplex, Asahi Chemical사 제조의 상품명) 및 다우 XUS(Dow XUS, Dow Chemical사 제조의 상품명) 전해질막과 같은 퍼플루오로설포네이트 아이오노머막(perfluorosulfonate ionomer membrane)이 주로 사용되고 있다.
그러나 이러한 불소계 전해질은 수소 이온 전도성이 우수하고, 부식이 잘 안되며, 내화학성이 우수한 장점은 있으나, 가격이 고가이고 메탄올 크로스 오버 (cross over)가 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 또한 수분을 공급해주어야 H+를 이동시킬 수 있으므로 가습 장치를 별도로 설치해야하며, 이러한 경우 설비기가 들고 설치 공간이 넓어지며, 고온에서 운전할 경우 수분이 증발되어 수소 이온 전도성을 저하시키는 문제가 발생하고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 값이 저가이므로 경제적이고, 또한 물성 조절이 용이하여 다양한 물성을 나타낼 수 있는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112004055005913-pat00002
[화학식 2]
HM(OR7)2
(상기 화학식 1 또는 2에서,
M은 Al, Au, Co, Cr, Fe, Ce, In, Mn, Ti, 또는 V이고,
R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 독립적으로 H 또는 C1 내지 C3의 알킬기 또는 M이고,
x는 M의 원자가에 따라 0 또는 1이고,
a, b 및 c는 동일하거나 서로 독립적으로 10 내지 1000의 정수이며,
l, m 및 n은 동일하거나 서로 독립적으로 1 내지 6의 정수이며,
R7은 (CH2CH)q(CH2CH OCOR8)r이고, 여기서 R8은 C1 내지 C3의 알킬기이고, q는 1 내지 5의 정수이고, r은 5 내지 1000의 정수이다).
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료 전지에 사용되는 고분자 전해질 막을 구성하는 고분자에 관한 것이다. 종래 고분자 전해질 막은 나피온과 같은 불소계 고분자로 구성되었다. 그러나 이러한 불소계 고분자는 고가이며, 고온에서 작동이 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 고분자 전해질 막을 구성하는 고분자는 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 수소 이온 전도성 고분자이다.
[화학식 1]
Figure 112004055005913-pat00003
[화학식 2]
HM(OR7)2
상기 화학식 1 또는 2에서,
M은 Al, Au, Co, Cr, Fe, Ce, In, Mn, Ti, 또는 V이고,
R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 독립적으로 H 또는 C1 내지 C3의 알킬기 또는 M이고,
x는 M의 원자가에 따라 0 또는 1이고,
a, b 및 c는 동일하거나 서로 독립적으로 10 내지 1000의 정수이며,
l, m 및 n은 동일하거나 서로 독립적으로 1 내지 6의 정수이며,
R7은 (CH2CH)q(CH2CHOCOR8)r이고, 여기서 R8은 C1 내지 C3의 알킬기이고, q는 1 내지 5의 정수이고, r은 5 내지 1000의 정수이다.
바람직하게는 상기 R1, R2 및 R3 중 적어도 하나는 H이고, 나머지는 메틸기이고, 또한 바람직하게는 상기 R8은 메틸기이다.
상기 화학식 1의 수소 이온 전도성 고분자는 금속염과 OH기를 하나 이상 갖는 고분자를 비양자성 극성 용매(aprotic polar solvent) 중에서 반응시키는 공정으로 제조된다. 상기 금속염으로는 Al, Au, Co, Cr, Fe, Ce, In, Mn, Ti 또는 V를 포함하는 화합물을 사용할 수 있다. 대표적인 금속염으로 리튬금속하이드라이드, 리튬금속플루오라이드, 리튬금속클로라이드 또는 리튬금속브로마이드를 들 수 있다. 상기 금속으로 Al을 사용하는 경우로 예를 들면 LiAlH4, LiAlF4, LiAlCl4 , LiAlBr4가 효과적인 금속염이다.
상기 금속염으로 알루미늄을 사용한 대표적인 예를 하기 반응식 1로 나타내었다.
[반응식 1]
Figure 112004055005913-pat00004
알루미늄은 최대 네 개의 사슬이 부착될 수 있으므로, 알루미늄염과 OH기를 하나 이상 갖는 고분자의 반응 비율을 적절하게 조절하면 수소 이온이 농도를 조절할 수 있다.
바람직한 금속염과 OH기를 하나 이상 갖는 고분자의 비율은 몰비로 금속 1몰 당 1.2 내지 3.5몰이 바람직하다. 상기 OH기를 하나 이상 갖는 고분자로는 폴리메틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콘, 또는 폴리테트라하이드로퓨란 을 사용할 수 있다. 상기 비양자성 극성 용매로는 디메톡시에탄, 디에틸에테르, 디메틸에테르, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 등을 사용할 수 있으며, OH기를 갖는 용매는 용매 자체가 LiAlH4와 같은 금속염과 직접 반응하므로 사용할 수 없다.
이 공정으로 제조되는 상기 화학식 1의 수소 이온 전도성 고분자는 금속에 수소 이온이 약한 이온 결합을 하고 있으므로, 이 수소 이온이 쉽게 해리되어 수소 이온 전달에 기여할 수 있다. 이 공정은 고분자 성분과 금속의 비율로 수소 이온의 농도를 조절할 수 있다. 또한 가교점은 양쪽에 OH기가 있는 고분자와 한쪽에만 OH기가 있는 고분자의 상대적인 비율 및 절대적인 함량에 의해 결정된다.
상기 화학식 2의 수소 이온 전도성 고분자는 금속염과 OH기를 하나 이상 갖고, CO기를 갖는 고분자를 강산 중에서 반응시키는 공정으로 제조된다. 이 공정의 대표적인 예를 하기 반응식 2로 나타내었다.
[반응식 2]
Figure 112004055005913-pat00005
상기 OH기를 하나 이상 갖고, CO기를 갖는 고분자로는 폴리(비닐알코올-비닐아세테이트) 공중합체 폴리비닐알코올, 폴리하이드록시메틸아크릴레이트를 들 수 있다. 상기 강산으로는 HCl, H2SO4, 또는 H3PO4를 사용할 수 있다. 이 공정은 고분자의 가수 분해 정도(hydrolysis level) 및 금속의 함량에 의해 물성 조절을 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 수소 이온 전도성 고분자는 저가의 재료를 사용하여 제조할 수 있으며, 또한 고분자의 물성을 용이하게 조절할 수 있으므로 사용자의 목적에 따라 원하는 물성을 갖는 고분자를 쉽게 얻을 수 있다. 또한 형성된 고분자는 이온전도도 및 강도가 높다. 아울러, 금속과 고분자 사이의 착체로서, 금속염이 전하를 띠게 되므로 양자의 원료로 작용하게 되고, 착체는 가교점으로 작용하여 기계적 강도를 부여하고, 고분자는 적절한 수분 흡수율 및 그 자체가 수소 이온 전도를 담당하여 높은 이온 전도도를 부여한다.
상기 화학식 1 또는 2로 표현되는 고분자는 연료 전지용 고분자 전해질 막으 로 사용된다. 상기 고분자를 이용하여 고분자 전해질 막을 제조하는 공정은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 화학식 1 또는 2로 표현되는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하여 막/전극 어셈블리를 이룬다.
상기 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극은 기체 확산층(gas diffusion layer)과 촉매층으로 구성된다. 상기 촉매층은 관련 반응(수소의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 포함하는 것으로서, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 또는 백금-니켈 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
또한 일반적으로 상기 금속 촉매로는 담체에 지지된 것이 사용된다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분 야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.
연료 전지에서 수소 또는 연료를 상기 애노드 전극에 공급하고, 산소를 상기 캐소드 전극에 공급하여, 애노드 전극과 캐소드 전극의 전기 화학 반응에 의하여 전기를 생성한다. 애노드에서 수소 또는 유기 원료의 산화 반응이 일어나고, 캐소드에서 산소의 환원 반응이 일어나 두 전극 간의 전압차를 발생시키게 된다.
상기 기체 확산층으로는 탄소 페이퍼나 탄소 천(cloth)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 기체 확산층은 연료 전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 반응 가스를 확산시켜 촉매층으로 반응 기체가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 또한 이 기체 확산층은 탄소 페이퍼나 탄소 천을 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.
또한, 상기 전극은 상기 기체 확산층과 상기 촉매층 사이에 기체 확산층의 기체 확산 효과를 더욱 증진시키기 위하여, 미세 다공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 상기 미세 다공층은 탄소 분말, 카본 블랙, 활성 탄소, 아세틸렌 블랙 등의 도전성 물질, 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 바인더 및 필요에 따라 아이오노머를 포함하는 조성물을 도포하여 형성된다.
본 발명의 막/전극 어셈블리를 포함하는 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산소 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 고분자 전해질 막, 이 고분자 전해질 막 양면에 존재하 는 캐소드 및 애노드 전극 및 바이폴라 플레이트를 포함하며, 수소와 산소의 전기화학적인 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산소 공급부는 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(19)를 갖는 스택(7)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급원(1)과, 공기를 전기 발생부(19)로 공급하는 산소 공급원(5)을 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급원(1)은 연료를 저장하는 연료 탱크(9)와, 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 스택(7)의 전기 발생부(19)로 산소를 공급하는 산소 공급원(5)은 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하는 적어도 하나의 공기 펌프(13)를 구비한다.
상기 전기 발생부(19)는 수소 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원 반응시키는 막/전극 어셈블리(21)와 이 막/전극 어셈블리의 양측에 수소 가스와 산소를 함유한 공기를 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(23,25)로 구성된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것 은 아니다.
(실시예 1)
LiAlH4와 분자량 500의 폴리에틸렌글리콜을 1 : 10 중량비로 디메톡시에탄 용매 중에서 반응시켜 수소 이온 고분자를 제조하였다. 이어서, 반응 후 LiAlH4와 같은 몰수의 염산을 상기 수소 이온 고분자에 첨가한 후 10시간동안 교반시켜 고분자내 Li 이온이 수소 이온으로 치환된 수소 이온 전도성 고분자를 제조하였다. 제조된 수소 이온 전도성 고분자를 유리판 위에 캐스팅하고 60℃에서 건조시켜 고분자 전해질 막을 제조하였다.
상기 고분자 전해질 막을 캐소드 및 애노드 전극 사이에 넣고 130℃에서 3분간 소성한 후, 열간압연하여 막/전극 어셈블리를 제조하였다. 상기 캐소드와 애노드는 탄소 분말에 담지된 백금 촉매(Pt/C), 폴리테트라플루오로에틸렌 바인더 및 이소프로필알콜 용매를 혼합하여 제조한 촉매 슬러리를 탄소 페이퍼에 코팅하여 제조하였다. 이때, 상기 캐소드와 애노드는 0.4mg/cm2의 백금 촉매량을 가지고 있다.
상기 제조된 막/전극 어셈블리를 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후, 일정 형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴라 플레이트에 삽입한 후, 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.
(실시예 2)
LiAlH4와 분자량 1000의 폴리에틸렌글리콜을 1 : 5 중량비로 디메톡시에탄 용매 중에서 반응시켜 수소 이온 전도성 고분자를 제조하였다. 이어서, 반응 후 LiAlH4와 같은 몰수의 염산을 상기 수소 이온 전도성 고분자에 첨가한 후 10시간동안 교반시켜 고분자 내 Li 이온이 수소 이온으로 치환된 수소 이온 전도성 고분자를 제조하였다. 제조된 수소 이온 전도성 고분자를 유리판 위에 캐스팅하고 60℃에서 건조시켜 고분자 전해질 막을 제조하였다.
상기 고분자 전해질 막을 캐소드 및 애노드 전극 사이에 넣고 130℃에서 3분간 소성한 후, 열간압연하여 막/전극 어셈블리를 제조하였다. 상기 캐소드와 애노드는 탄소 분말에 담지된 백금 촉매(Pt/C), 폴리테트라플루오로에틸렌 바인더 및 이소프로필알콜 용매를 혼합하여 제조한 촉매 슬러리를 탄소 페이퍼에 코팅하여 제조하였다. 이때, 상기 캐소드와 애노드는 0.4mg/cm2의 백금 촉매량을 가지고 있다.
상기 제조된 막/전극 어셈블리를 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후, 일정 형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴라 플레이트에 삽입한 후, 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.
(실시예 3)
LiAlH4와 분자량 100,000의 폴리비닐알코올(70% hydrolyzed)을 1 : 20 중량비로 디메톡시에탄 용매 중에서 반응시켜 수소 이온 전도성 고분자를 제조하였다. 이어서, 반응 후 LiAlH4와 같은 몰수의 염산을 상기 수소 이온 전도성 고분자에 첨가한 후 10시간동안 교반시켜 고분자 내 Li 이온이 수소 이온으로 치환된 수소 이온 전도성 고분자를 제조하였다. 제조된 수소 이온 전도성 고분자를 유리판 위에 캐스팅하고 60℃에서 건조시켜 고분자 전해질 막을 제조하였다. 이 고분자 전해질 막을 이용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 막 전극 접합체와 단위전지를 제조하였다.
(실시예 4)
LiAlH4와 분자량 100,000의 폴리비닐알코올(70% hydrolyzed)을 1 : 10 중량비로 디메톡시에탄 용매 중에서 반응시켜 수소 이온 전도성 고분자를 제조하였다. 이어서, 반응 후 LiAlH4와 같은 몰수의 염산을 상기 수소 이온 전도성 고분자에 첨가한 후 10시간동안 교반시켜 고분자 내 Li 이온이 수소 이온으로 치환된 수소 이온 전도성 고분자를 제조하였다. 제조된 수소 이온 전도성 고분자를 유리판 위에 캐스팅하고 60℃에서 건조시켜 고분자 전해질 막을 제조하였다. 이 고분자 전해질 막을 사용하여, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 막 전극 접합체와 단위전지를 제조하였다.
(비교예 1)
나피온(듀퐁 화학) 112 고분자를 고분자 전해질 막으로 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
상기 실시예 및 비교에서 얻어진 고분자 전해질 막과 단위전지의 성능을 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 단위 전지의 경우 캐소드와 애노드에 각각 무가습 상태의 공기와 수소를 상압으로 주입하였다.
이온전도도(30% 가습조건,상온)(S/cm) 6V 전류밀도(A/cm2)
실시예 1 0.5 0.52
실시예 2 0.8 0.61
실시예 3 0.3 0.48
실시예 4 0.5 0.50
비교예 1 0.1 0.27
상기 표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 내지 4의 고분자 전해질 막의 수소이온 전도도는 저가습 상태에서 비교예 1에서 사용된 나피온 112보다 우수한 값을 나타내었으며, 이는 실시예 1 내지 4에서 사용된 고분자가 우수한 수분 흡수력을 가지고 있기 때문이다.
또한 실시예 1과 2를 비교하면 실시예 2가 우수한 전도도를 나타내었는데 이는 LiAlH4의 농도가 낮을수록 고분자의 가교도가 감소하여 수분 함유량이 늘어나기 때문이고 이와 마찬가지로 실시예 3과 4를 비교할 때 가교도가 낮은 실시예 4가 우수한 이온전도도를 나타냄을 알 수 있다.
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1을 통해 제조된 단위 셀의 성능을 비교하면 이온전도도가 높은 막의 경우가 무가습된 연료 및 공기를 주입하는 경우에 높은 전류밀도를 나타냄을 알 수 있다. 즉, 실시예 1 내지 4의 경우, 사용된 고분자 전해질 막이 연료 및 공기에 수분이 함유되지 않는 상태에서 양극에서 발생하는 물에 의해 높은 막 이온 전도도를 가지게 되어 높은 전류밀도를 나타내는 것이다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 고분자는 경제적이며, 수소 이온 전도성이 우수하고, 기계적 강도가 우수한 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제공할 수 있다.

Claims (16)

  1. 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는
    연료 전지용 고분자 전해질 막.
    [화학식 1]
    Figure 112004055005913-pat00006
    [화학식 2]
    HM(OR7)2
    (상기 화학식 1 또는 2에서,
    M은 Al, Au, Co, Cr, Fe, Ce, In, Mn, Ti, 또는 V이고,
    R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 독립적으로 H 또는 C1 내지 C3의 알킬기 또는 M이고,
    x는 M의 원자가에 따라 0 또는 1이고,
    a, b 및 c는 동일하거나 서로 독립적으로 10 내지 1000의 정수이며,
    l, m 및 n은 동일하거나 서로 독립적으로 1 내지 6의 정수이며,
    R7은 (CH2CH)q(CH2CH OCOR8)r이고, 여기서 R8은 C1 내지 C3의 알킬기이고, q는 1 내지 5의 정수이고, r은 5 내지 1000의 정수이다).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 R1, R2 및 R3 중 하나 이상은 H이고, 나머지는 메틸기인 연료 전지용 고분자 전해질 막.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 R8은 메틸기인 연료 전지용 고분자 전해질 막.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 화학식 1의 수소 이온 전도성 고분자는 금속염과 OH기를 하나 이상 갖는 고분자를 비양자성 극성 용매 중에서 반응시키는 공정으로 제조된 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 OH기를 하나 이상 갖는 고분자는 폴리메틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 및 폴리테트라퓨란으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 비양자성 극성 용매는 디메톡시에탄, 디에틸에테르, 디메틸에테르, 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 화학식 2의 모노머는 금속염과 OH기를 하나 이상 갖고, CO기를 갖는 고분자를 강산 용액 중에서 반응시키는 공정으로 제조된 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 OH기를 하나 이상 갖고, CO기를 갖는 고분자는 폴리(비닐알코올-비닐아세테이트) 공중합체, 폴리비닐알코올, 폴리하이드록시메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.
  9. 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 고분자 전해질 막은 하기 화학식 1 또는 2의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것인 적어도 하나의 막/전극 어셈블리; 및 세퍼레이터를 포함하며, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
    [화학식 1]
    Figure 112004055005913-pat00007
    [화학식 2]
    HM(OR7)2
    (상기 화학식 1 또는 2에서,
    M은 Al, Au, Co, Cr, Fe, Ce, In, Mn, Ti, 또는 V이고,
    R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 독립적으로 H 또는 C1 내지 C3의 알킬기 또는 M이고,
    x는 M의 원자가에 따라 0 또는 1이고,
    a, b 및 c는 동일하거나 서로 독립적으로 10 내지 1000의 정수이며,
    l, m 및 n은 동일하거나 서로 독립적으로 1 내지 6의 정수이며,
    R7은 (CH2CH)q(CH2CHOCOR8)r이고, 여기서 R8은 C1 내지 C3의 알킬기이고, q는 1 내지 5의 정수이고, r은 5 내지 1000의 정수이다).
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 R1, R2 및 R3 중 하나 이상은 H이고, 나머지는 메틸기인 연료 전지 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 R8 및 R9는 에틸기이고, R10은 메틸기인 연료 전지 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 화학식 1의 수소 이온 전도성 고분자는 금속염과 OH기를 하나 이상 갖는 고분자를 비양자성 극성 용매 중에서 반응시키는 공정으로 제조된 것인 연료 전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 OH기를 하나 이상 갖는 고분자는 폴리메틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 및 폴리테트라퓨란으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 비양자성 극성 용매는 디메톡시에탄, 디에틸에테르, 디메틸에테르, 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 화학식 2의 모노머는 금속염과 OH기를 하나 이상 갖고, CO기를 갖는 고분자를 강산 용액 중에서 반응시키는 공정으로 제조된 것인 연료 전지 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 OH기를 하나 이상 갖고, CO기를 갖는 고분자는 폴리(비닐알코올-비닐아세테이트) 공중합체, 폴리비닐알코올, 폴리하이드록시메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.
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