KR100695115B1 - Proton conductive electrolyte for fuel cell, method for preparing the same and electrode using the proton conductive electrolyte - Google Patents

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히로유키 니시데
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Abstract

Provided are a proton conductive solid polymer electrolyte which shows a satisfactory power generation stably for a long time, its preparation method, and a fuel cell containing the polymer electrolyte. The proton conductive solid polymer electrolyte comprises a matrix resin which has an amide bond structure; and a cationic compound which is infiltrated in the matrix resin. Preferably, the cationic compound is an aminated oxyacid obtained by substituting the hydroxyl group of oxo-acid with an amino group; and the matrix resin comprises at least one polymer selected from poly(amic acid), poly(vinyl pyrrolidone), polyacrylamide, polyamideimide and polyamide. The method comprises the steps of dissolving the matrix resin and the cationic compound in a solvent; and removing the solvent from the obtained mixture.

Description

연료전지용 프로톤 전도성 전해질과 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지 {Proton conductive electrolyte for fuel cell, method for preparing the same and electrode using the proton conductive electrolyte }Proton conductive electrolyte for fuel cell, method for manufacturing same and fuel cell employing same {Proton conductive electrolyte for fuel cell, method for preparing the same and electrode using the proton conductive electrolyte}

도 1은 본 발명의 실시형태의 연료전지의 단위셀의 구조를 나타내는 단면 모식도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the unit cell of the fuel cell of embodiment of this invention.

도 2는 실시예 1의 프로톤 전도성 전해질막의 프로톤 전도도의 온도의존성을 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the temperature dependence of proton conductivity of the proton conductive electrolyte membrane of Example 1. FIG.

도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 프로톤 전도성 전해질막을 구비한 연료전지의 폐회로 전압과 발전시간의 관계를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing a relationship between a closed circuit voltage and a power generation time of a fuel cell including the proton conductive electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명><Brief description of the major symbols in the drawings>

1 단위셀(연료전지)1 unit cell (fuel cell)

2 산소극(전극)2 oxygen electrode (electrode)

3 연료극(전극)3 anode (electrode)

4 전해질막(프로톤 전도성 전해질)4 Electrolyte Membrane (Proton Conductive Electrolyte)

본 발명은, 연료전지용의 프로톤 전도성 전해질과 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지에 관한 것으로, 특히 100 내지 200℃의 작동온도 하에 있어서, 무가습 혹은 상대습도 50%이하이어도 양호한 발전성능을 장기간 안정적으로 나타내는 고체 고분자형 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a proton conductive electrolyte for a fuel cell, a method for manufacturing the same, and a fuel cell employing the same. Particularly, under an operating temperature of 100 to 200 ° C., a good power generation performance can be maintained for a long time even if the humidity is 50% or less. The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.

종래, 수계 프로톤 전도성 전해질로서, 물을 프로톤 억셉터 및 캐리어로서 사용한 것이 알려져 있다. 또한, 비수계 프로톤 전도성 전해질로서, 프로톤 억셉터 또는 캐리어에 비휘발성의 상온용융염, 인산, 이미다졸 등의 저분자염기를 사용하고, 이들을 내열성 고분자 등의 매트릭스에 복합화시킨 것이 알려져 있다.Background Art Conventionally, as an aqueous proton conductive electrolyte, water is used as a proton acceptor and a carrier. In addition, as a non-aqueous proton conductive electrolyte, non-volatile molten salts such as molten salt, phosphoric acid, and imidazole are used as proton acceptors or carriers, and these are compounded in matrices such as heat resistant polymers.

예를 들어, 일본특허공개 2001-167629호에는, 프로톤 캐리어로서 무기산 음이온 알칼리금속염,유기산 음이온 알칼리금속염, 사급암모늄염, 음이온성 계면활성제를 사용한 겔 전해질이 개시되어 있다.For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-167629 discloses a gel electrolyte using an inorganic acid anion alkali metal salt, an organic acid anion alkali metal salt, a quaternary ammonium salt, and an anionic surfactant as a proton carrier.

또한, 일본특허공개 2003-123791호에는, 프로톤 억셉터로서 인산, 황산, 술폰산, 트리스트리플루오로메틸술포닐메티드산{tris(trifluoromethylmetide) acid}, 무기 고체산 등을 사용한 프로톤 전도체가 개시되어 있다.Further, Japanese Patent Laid-Open No. 2003-123791 discloses a proton conductor using phosphoric acid, sulfuric acid, sulfonic acid, tris (trifluoromethylmetide) acid, inorganic solid acid, or the like as a proton acceptor. .

일본특허공개 2001-167629호 및 일본특허공개 2003-123791호에서의 프로톤 억셉터 또는 프로톤 캐리어는, 모두 비교적 저분자의 화합물인 것과 함께 수용성 화합물 또는 액상의 화합물이다. 이 때문에, 특히 고분자계의 프로톤 전도성 전해질에 있어서, 전해질의 고분자 매트릭스에 대해 이들 프로톤 억셉터 등이 유리되기 쉽고, 이들 프로톤 억셉터 등이 발전반응에 따라 생성하는 물과 함께 전해질의 외부로 유출되어 버리는 문제가 있었다. 이 결과, 일본특허공개 2001-167629호 및 일 본특허공개 2003-123791호에서의 프로톤 전도성 전해질에 있어서는, 발전시간이 경과함에 따라 전해질 중의 프로톤 억셉터 등의 농도가 감소하고, 이에 의해 프로톤 전도도가 매우 감소되는 문제가 있었다.The proton acceptor or the proton carrier in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2001-167629 and 2003-123791 are both relatively low molecular weight compounds and are water-soluble compounds or liquid compounds. For this reason, especially in polymer-based proton conductive electrolytes, these proton acceptors and the like are likely to be released from the polymer matrix of the electrolyte, and these proton acceptors and the like flow out of the electrolyte together with the water generated by the power generation reaction. There was a problem throwing away. As a result, in the proton conductive electrolytes of Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2001-167629 and 2003-123791, the concentration of proton acceptors and the like in the electrolyte decreases as the power generation time elapses, thereby proton conductivity There was a very diminishing problem.

또한, 이러한 프로톤 전해질을 연료전지의 전해질막으로서 채용하면, 연료전지를 장기적으로 안정하게 작동시킬 수 없는 문제가 있었다.In addition, when such a proton electrolyte is employed as an electrolyte membrane of a fuel cell, there is a problem that the fuel cell cannot be operated stably in the long term.

이상과 같이, 연료전지의 발전효율, 시스템 효율, 구성부재의 장기 내구성의 관점으로부터, 100℃∼200℃정도의 작동온도로, 게다가 무가습 혹은 상대습도 50% 이하의 저가습 작동조건 하에서, 양호한 발전성능을 장기간 안정적으로 나타내는 연료전지가 요구되고 있는데, 종래의 기술에서는 그 달성이 곤란하고, 안정된 성능을 얻을 수 없다.As described above, in view of the generation efficiency of the fuel cell, the system efficiency, and the long-term durability of the component, the operating temperature is about 100 ° C. to 200 ° C., and under low-humidity operation conditions with no humidification or relative humidity of 50% or less. There is a demand for a fuel cell that exhibits stable power generation performance for a long time. However, in the prior art, the achievement of such a fuel cell is difficult and stable performance cannot be obtained.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 작동온도가 100℃∼200℃정도이면서 무가습 혹은 상대습도 50%이하의 작동조건에 있어서, 양호한 발전성능을 장기간 안정적으로 나타내는 것이 가능한 프로톤 전도성 전해질과 그 제조 방법 및 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and includes a proton conductive electrolyte capable of stably exhibiting good power generation performance for a long time under operating conditions of about 100 ° C to 200 ° C and no humidity or 50% relative humidity. An object thereof is to provide a manufacturing method and a fuel cell.

상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명자들이 면밀히 연구를 행한 바, 옥소산의 하이드록시기를 아미노기로 치환한 아미드화 옥소산 화합물을 어느 특정의 매트릭스 수지에 첨가하고, 이를 연료전지용 전해질막으로서 사용한 바, 발전반응이 장기간에 걸쳐 계속된 경우에도 전해질의 변질이 일어나지 않으며, 프 로톤 전도도가 열화되지 않는 것을 알아내어, 이에 의해 본 발명을 완성시켰다.In order to solve the problems of the prior art, the present inventors have studied closely, adding an amidated oxo acid compound in which a hydroxy group of oxo acid is substituted with an amino group to any specific matrix resin, which is used as an electrolyte membrane for fuel cells. As a result, it was found that the electrolyte does not deteriorate even when the power generation reaction is continued for a long time, and the proton conductivity is not deteriorated, thereby completing the present invention.

즉, 본 발명의 연료전지용의 프로톤 전도성 전해질은, 분자 중에 아미드 결합구조를 갖는 매트릭스 수지에 양성이온 화합물이 함유되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.That is, the proton conductive electrolyte for a fuel cell of the present invention is characterized in that a zwitterionic compound is contained in a matrix resin having an amide bond structure in a molecule thereof.

또한, 본 발명에 있어서는, 상기 양성이온 화합물이 옥소산의 하이드록시기를 아미노기로 치환한 아미드화 옥소산 화합물인 것이 바람직하다.Moreover, in this invention, it is preferable that the said zwitterionic compound is an amidated oxo acid compound which substituted the hydroxyl group of oxo acid with an amino group.

또, 본 발명에 있어서는, 상기 양성이온 화합물이 아미드 황산, 아미드 인산, 디아미드 인산, 이인산 테트라아미드, 티오인산 트리아미드 또는 이들의 유도체 중 어느 하나 이상의 화합물인 것이 바람직하다.Moreover, in this invention, it is preferable that the said zwitterionic compound is a compound of any one or more of amide sulfuric acid, amide phosphoric acid, diamide phosphoric acid, diphosphate tetraamide, thiophosphate triamide, or derivatives thereof.

또한, 본 발명에 있어서는, 상기 매트릭스 수지가 폴리아믹산, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴아미드, 폴리아미드이미드, 폴리아미드중에서 선택되는 하나 이상의 폴리머로 구성되는 것이 바람직하다.In the present invention, the matrix resin is preferably composed of at least one polymer selected from polyamic acid, polyvinylpyrrolidone, polyacrylamide, polyamideimide, and polyamide.

또, 본 발명의 연료전지용의 프로톤 전도성 전해질의 제조방법은, 분자 중에 아미드 결합구조를 갖는 매트릭스 수지와 양성이온 화합물을 용매에 용해하여 혼합용매로 하는 공정과, 상기 혼합용매에서 상기 용매를 제거하는 공정을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the method for producing a proton conductive electrolyte for a fuel cell of the present invention comprises the steps of dissolving a matrix resin having an amide bond structure and a zwitterionic compound in a solvent to form a mixed solvent, and removing the solvent from the mixed solvent. It is characterized by comprising a step.

또한, 본 발명의 연료전지는, 한 쌍의 전극과 각 전극의 사이에 배치된 전해질막으로 구성되고, 상기 전해질막이 상술한 프로톤 전도성 전해질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The fuel cell of the present invention is composed of a pair of electrodes and an electrolyte membrane disposed between each electrode, and the electrolyte membrane is made of the above-described proton conductive electrolyte.

또, 본 발명의 연료전지에 있어서는, 상기 전극의 일부에 상술한 프로톤 전 도성 전해질이 함유되어 있는 것이 바람직하다.In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the proton conductive electrolyte described above is contained in a part of the electrode.

발명을 실시하기 위한 최량의 형태Best Mode for Carrying Out the Invention

「프로톤 전도성 전해질」`` Proton conductive electrolyte ''

이하, 본 발명의 실시형태인 연료전지용의 프로톤 전도성 전해질을 상세하게설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the proton conductive electrolyte for fuel cells which is embodiment of this invention is demonstrated in detail.

본 실시형태의 연료전지용의 프로톤 전도성 전해질은, 분자 중에 아미드 결합구조를 갖는 매트릭스 수지에 양성이온 화합물이 함유되어 개략 구성되어 있다.The proton conductive electrolyte for a fuel cell of the present embodiment is roughly constituted by containing a zwitterionic compound in a matrix resin having an amide bond structure in a molecule thereof.

매트릭스 수지는, 프로톤 전도성 전해질의 골격성분이 되어야 하는 것으로, 아미드 결합구조를 주쇄 혹은 측쇄에 갖는 고분자이고, 바람직하게는 연료전지의 작동온도(예를 들어 100℃∼200℃)에 있어서 열분해되지 않고 안정된 성상을 나타내는 것이다. 매트릭스 수지로서 구체적으로는, 폴리아믹산, 폴리비닐피롤리돈,폴리아크릴아미드, 폴리아미드이미드, 폴리아미드중에서 선택되는 하나 이상의 폴리머로 구성된다.The matrix resin is to be a skeletal component of the proton conductive electrolyte and is a polymer having an amide bond structure in the main chain or in the side chain, and preferably is not thermally decomposed at the operating temperature (for example, 100 ° C to 200 ° C) of the fuel cell. It shows a stable appearance. Specifically, the matrix resin is composed of at least one polymer selected from polyamic acid, polyvinylpyrrolidone, polyacrylamide, polyamideimide, and polyamide.

폴리아믹산으로서는, 폴리(피로멜리트산-co-4,4'-옥시디아닐린)아믹산, 폴리(3,3'-4,4'-벤조페논테트라카르복실산-co-4,4'-옥시디아닐린/1,3-페닐렌디아민)아믹산, 폴리(3,3'-4,4'-비페닐테트라카르복실산-co-4,4'-페닐렌디아민)아믹산 등을 예시할 수 있다.Examples of the polyamic acid include poly (pyromellitic acid-co-4,4'-oxydianiline) amic acid and poly (3,3'-4,4'-benzophenonetetracarboxylic acid-co-4,4'- Examples of oxydianiline / 1,3-phenylenediamine) amic acid, poly (3,3'-4,4'-biphenyltetracarboxylic acid-co-4,4'-phenylenediamine) amic acid, etc. can do.

또한, 폴리비닐피롤리돈으로서는, 폴리비닐피롤리돈, 폴리(1-비닐피롤리돈-co-스틸렌), 폴리(1-비닐피롤리돈-co-비닐아세테이트) 등을 예시할 수 있다.Examples of the polyvinylpyrrolidone include polyvinylpyrrolidone, poly (1-vinylpyrrolidone-co-styrene), poly (1-vinylpyrrolidone-co-vinylacetate) and the like.

또한, 폴리아크릴아미드로서는, 폴리아크릴아미드, 폴리(아크릴아미드-co-아 크릴산), 폴리(2-아크릴아미드-2-메틸-1-프로판술폰산) 등을 예시할 수 있다.Examples of the polyacrylamide include polyacrylamide, poly (acrylamide-co-acrylic acid), poly (2-acrylamide-2-methyl-1-propanesulfonic acid), and the like.

또한, 폴리아미드이미드로서는, 폴리(트리멜리트산클로라이드-co-4,4'-메틸렌디아닐린), 폴리(트리멜리트산클로라이드-alt-벤지딘) 등을 예시할 수 있다.Examples of the polyamide-imide include poly (trimellitic acid chloride-co-4,4′-methylenedianiline), poly (trimellitic acid chloride-alt-benzidine), and the like.

또한, 폴리아미드로서는, 나일론6 등의 지방족 폴리아미드, 폴리-p-페닐렌테레프탈아미드 등의 방향족 폴리아미드 등을 예시할 수 있다.Examples of the polyamides include aliphatic polyamides such as nylon 6 and aromatic polyamides such as poly-p-phenylene terephthalamide.

상기 중에서 특히 바람직한 매트릭스 수지로서는, 폴리(피로멜리트산-co-4,4'-옥시디아닐린)아믹산, 폴리(3,3'-4,4'-비페닐테트라카르복실산-co-1,4-페닐렌디아민)아믹산, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴아미드, 폴리(트리멜리트산클로라이드-co-4,4'-메틸렌디아닐린)을 예시할 수 있다.Among the above-mentioned particularly preferable matrix resins, poly (pyromellitic acid-co-4,4'-oxydianiline) amic acid and poly (3,3'-4,4'-biphenyltetracarboxylic acid-co-1 , 4-phenylenediamine) amic acid, polyvinylpyrrolidone, polyacrylamide, poly (trimellitic acid chloride-co-4,4'-methylenedianiline) can be illustrated.

매트릭스 수지의 평균분자량은 GPC법으로 측정한 값으로서 10,000∼500,000의 범위가 바람직하다. 평균분자량이 10,000이상이면 프로톤 전도성 전해질의 기계적 강도를 충분히 높일 수 있으므로 바람직하고, 또한 평균분자량이 500,000 이하이면 용매 등에의 용해성을 적당히 높게 제어할 수 있으며, 프로톤 전도성 전해질의 성형성이 향상하므로 바람직하다.The average molecular weight of the matrix resin is preferably in the range of 10,000 to 500,000 as a value measured by the GPC method. If the average molecular weight is 10,000 or more, the mechanical strength of the proton conductive electrolyte can be sufficiently increased, and if the average molecular weight is 500,000 or less, the solubility in a solvent or the like can be controlled to be moderately high, and the moldability of the proton conductive electrolyte is improved, which is preferable. .

다음에, 양성이온 화합물은, 매트릭스 수지에 대한 도펀트로서 프로톤 전도도를 발현시키는 것이다. 이 양성이온 화합물은, 옥소산의 하이드록시기를 아미노기로 치환한 아미드화 옥소산 화합물로서, 매트릭스 수지와 같이 바람직하게는 연료전지의 작동온도(100℃∼200℃)에 있어서 열분해되지 않고, 안정된 성상을 나타내는 것이다. 여기서, 옥소산으로서는, 예를 들어 인산, 이인산, 티오인산, 황산 등을 예시할 수 있다. 또한, 아미노기와 치환하는 하이드록시기의 수는 1이상이면 되고, 2∼4 중 어느 하나이어도 된다. 이러한 아미드화 옥소산 화합물(양성화합물)로서 구체적으로는, 아미드 황산, 아미드 인산, 디아미드 인산, 이인산 테트라아미드, 티오인산 트리아미드 또는 이들의 유도체 중 어느 하나 이상의 화합물을 예시할 수 있고, 이들 중에서도 특히 아미드 황산 또는 아미드 인산이 바람직하다.Next, the zwitterionic compound expresses proton conductivity as a dopant for the matrix resin. This zwitterionic compound is an amidated oxo acid compound in which a hydroxy group of oxo acid is substituted with an amino group. Like the matrix resin, the zwitterionic compound is not thermally decomposed at the operating temperature (100 ° C. to 200 ° C.) of the fuel cell. It represents. Here, as oxo acid, phosphoric acid, diphosphoric acid, thiophosphoric acid, a sulfuric acid etc. can be illustrated, for example. In addition, the number of the hydroxyl group substituted by an amino group should just be 1 or more, and any of 2-4 may be sufficient. As such an amidated oxo acid compound (positive compound), specifically, the compound of any one or more of amide sulfuric acid, amide phosphoric acid, diamide phosphoric acid, diphosphoric acid tetraamide, thiophosphate triamide, or derivatives thereof can be illustrated. Among them, amide sulfuric acid or amide phosphoric acid is particularly preferable.

또한, 양성화합물로서 상기 이외에, 분자 중에 아미노기, 아민기 등의 염기 성기와 카르복실산기, 술폰산기 등의 산성기를 갖는 내열성 및 내산화성이 우수한 유기화합물 또는 무기화합물을 사용해도 된다.As the amphoteric compound, an organic compound or inorganic compound having excellent heat resistance and oxidation resistance having basic groups such as amino groups and amine groups and acidic groups such as carboxylic acid groups and sulfonic acid groups may be used as the amphoteric compound.

매트릭스 수지와 양성이온 화합물의 혼합비(매트릭스 수지:양성이온 화합물)는 중량비로, 매트릭스 수지:양성이온 화합물=90:10∼30:70의 비율이 바람직하다. 양성이온 화합물이 10중량% 보다 적으면 충분한 프로톤 전도도를 나타내지 않고, 70중량%를 넘으면 프로톤 전도성 전해질의 물리적 강도가 충분하지 않게 된다.The mixing ratio (matrix resin: zwitterionic compound) of the matrix resin and the zwitterionic compound is a weight ratio, and the ratio of matrix resin: zwitterionic compound = 90:10 to 30:70 is preferable. If the zwitterionic compound is less than 10% by weight, it does not exhibit sufficient proton conductivity, and if it exceeds 70% by weight, the physical strength of the proton conductive electrolyte is not sufficient.

본 실시형태의 프로톤 전도성 전해질은, 상기 구성을 구비함으로써, 100 내지 200℃의 작동온도로 상대습도가 0∼50%의 범위의 연료전지의 작동조건 하에 있어서, 발전반응에 따라 생성된 물과 함께 양성이온 화합물이 전해질의 외부로 누출되지 않고, 프로톤 전도도를 장기간에 걸쳐 안정적으로 유지할 수 있다. 이러한 효과는, 이하와 같은 작용에 의해 얻어지는 것으로 추측된다.The proton conductive electrolyte of the present embodiment has the above configuration, and together with the water produced by the power generation reaction under the operating conditions of the fuel cell in the relative humidity range of 0 to 50% at an operating temperature of 100 to 200 ° C. The zwitterion compound does not leak to the outside of the electrolyte, and the proton conductivity can be stably maintained for a long time. Such an effect is estimated to be obtained by the following effects.

즉, 본 실시형태의 프로톤 전도성 전해질을 구성하는 매트릭스 수지는, 그 주쇄 또는 측쇄 중에 아미드 결합구조(-NH-CO-)를 갖고 있다. 이 아미드 결합구조는 N-H 결합과 C=O 결합 (카르보닐 결합)을 갖고 있기 때문에, 다른 물질과의 사이에서 수소결합과 같은 비교적 약한 분자간 결합을 형성할 수 있다고 되어 있다.That is, the matrix resin constituting the proton conductive electrolyte of the present embodiment has an amide bond structure (-NH-CO-) in its main chain or side chain. Since this amide bond structure has an N—H bond and a C═O bond (carbonyl bond), it is said that a relatively weak intermolecular bond such as a hydrogen bond can be formed between other substances.

한편, 매트릭스 수지에 함유되는 양성이온 화합물은, 그 분자구조 중에 산성기 및 염기성기를 포함하고, 이들 산성기 또는 염기성기 중 적어도 한쪽은 아미드 결합구조에 대해 친화성을 갖고 있는 것으로 생각된다.On the other hand, the zwitterionic compound contained in the matrix resin contains an acidic group and a basic group in its molecular structure, and at least one of these acidic groups or basic groups is considered to have affinity for the amide bond structure.

이상과 같이, 양성이온 화합물은 매트릭스 수지에 대해 비교적 친화성이 높기 때문에, 양성이온 화합물 및 매트릭스 수지는 서로 균질하게 혼동되어 있는 것으로 추측된다.As described above, since the zwitterionic compound has a relatively high affinity for the matrix resin, it is assumed that the zwitterionic compound and the matrix resin are homogeneously mixed with each other.

또, 매트릭스 수지 및 양성이온 화합물은 각각 단독으로 100℃∼200℃의 온도범위에 있어서 고형상이므로, 매트릭스 수지 중에 함유된 양성이온 화합물에 대해서도, 매트릭스 수지 중에서 고형상으로 되어 있는 것으로 추측된다.Moreover, since a matrix resin and a zwitterion compound are solid each independently in the temperature range of 100 degreeC-200 degreeC, it is estimated that the zwitterion compound contained in matrix resin also becomes a solid form in matrix resin.

이상의 것으로부터, 본 실시형태의 프로톤 전도성 전해질에 물이 침투되었다고 하더라도 양성이온 화합물의 매트릭스 수지에 대한 친화성이 높기 때문에, 양성이온 화합물이 물에 대해 용해하기 어려워지고, 이에 의해, 양성이온 화합물이 물과 함께 전해질의 외부로 누출되지 않으며, 프로톤 전도도를 장기간에 걸쳐 안정적으로 유지할 수 있다.From the above, even if water has penetrated into the proton conductive electrolyte of the present embodiment, since the affinity of the zwitterionic compound to the matrix resin is high, it is difficult for the zwitterionic compound to dissolve in water, whereby the zwitterionic compound It does not leak out of the electrolyte with water, and can maintain proton conductivity for a long time.

「프로톤 전도성 전해질의 제조방법」`` Production method of proton conductive electrolyte ''

다음에, 본 실시형태의 프로톤 전도성 전해질의 제조방법에 대해서 설명한다.이 제조방법은, 분자 중에 아미드 결합구조를 갖는 매트릭스 수지와 양성이온 화합물을 용매에 용해하여 혼합용매로 하는 공정과, 상기 혼합용매에서 상기 용매를 제거하는 공정을 구비하여 구성되어 있다.Next, the manufacturing method of the proton conductive electrolyte of this embodiment is demonstrated. This manufacturing method is a process which melt | dissolves the matrix resin and zwitterion compound which have an amide bond structure in a molecule | numerator in a solvent, and uses it as a mixed solvent, and the said mixing It comprises the process of removing the said solvent from a solvent.

매트릭스 수지 및 양성이온 화합물로서는, 상술한 것을 사용할 수 있다.또한, 용매로서는, 매트릭스 수지 및 양성이온 화합물에 대해 용해성이 높은 것이 바람직하고, 예를 들어 N-메틸피롤리돈, N,N'-디메틸아세트아미드, N,N'-디메틸포름아미드, 디메틸술폭사이드 등을 사용할 수 있다.As the matrix resin and the zwitterionic compound, the above-mentioned ones can be used. Further, as the solvent, those having high solubility with respect to the matrix resin and the zwitterionic compound are preferable, for example, N-methylpyrrolidone and N, N'- Dimethyl acetamide, N, N'-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, etc. can be used.

혼합용매는, 상기 용매에 대해 매트릭스 수지 및 양성이온 화합물을 첨가, 용해시킴으로써 조제한다. 매트릭스 수지와 양성이온 화합물의 혼합비 (매트릭스 수지:양성이온 화합물)는 중량비로, 매트릭스 수지:양성이온 화합물=90:10∼30:70의 비율이 바람직하다. 또한, 혼합용매에서의 매트릭스 수지와 양성이온 화합물의 총합량의 농도는, 매트릭스 수지와 양성이온 화합물의 총합량으로서 5∼25 중량% 정도가 바람직하다. 또, 혼합용매를 조제할 때에는 필요에 따라 가열을 해도 된다.The mixed solvent is prepared by adding and dissolving the matrix resin and the zwitterionic compound in the solvent. The mixing ratio (matrix resin: zwitterionic compound) of the matrix resin and the zwitterionic compound is a weight ratio, and the ratio of matrix resin: zwitterionic compound = 90:10 to 30:70 is preferable. The concentration of the total amount of the matrix resin and the zwitterion compound in the mixed solvent is preferably about 5 to 25% by weight as the total amount of the matrix resin and the zwitterion compound. Moreover, when preparing a mixed solvent, you may heat as needed.

다음에, 조제된 혼합용매에서 용매를 제거하는 데는, 예를 들어 유리기판 상에 혼합용매를 적하하여 유리기판 상에 혼합용매를 균일하게 확산하고, 그 후, 유리기판마다 혼합용매를 가열하여 건조함으로써, 혼합용매에 포함되는 용매를 휘발시키면 된다. 이에 의해, 유리기판 상에 매트릭스 수지와 양성이온 화합물로 이루어지는 막형상의 프로톤 전도성 전해질이 얻어진다.Next, in order to remove a solvent from the prepared mixed solvent, the mixed solvent is dripped on a glass substrate, and the mixed solvent is spread | diffused uniformly on a glass substrate, and after that, the mixed solvent is heated and dried for every glass substrate. What is necessary is to volatilize the solvent contained in a mixed solvent by doing this. As a result, a film-like proton conductive electrolyte composed of a matrix resin and a zwitterionic compound is obtained on a glass substrate.

막두께가 두꺼운 프로톤 전도성 전해질을 원하는 경우에는, 형성한 프로톤 전도성 전해질 상에 다시 혼합용매를 적하하고, 건조하는 공정을 반복하면 된다. 또한, 혼합용매에서의 매트릭스 수지와 양성이온 화합물의 총함량의 농도를 높게 함으로써, 막두께가 두꺼운 프로톤 전도성 전해질을 형성해도 된다.In the case where a proton conductive electrolyte having a thick film is desired, the mixed solvent may be dropped again on the formed proton conductive electrolyte, and the drying may be repeated. Further, by increasing the concentration of the total content of the matrix resin and the zwitterion compound in the mixed solvent, a proton conductive electrolyte having a thick film may be formed.

이와 같이 본 실시형태의 프로톤 전도성 전해질의 제조방법에 의하면, 매트릭스 수지와 양성이온 화합물이 용해되어 이루어지는 혼합용매에서 용매를 제거함 으로써, 전해질의 성형과 양성이온 화합물의 첨가를 동시에 할 수 있고, 종래의 전해질의 제조방법에 비해 공정수를 적게 할 수 있다.Thus, according to the manufacturing method of the proton conductive electrolyte of this embodiment, by removing a solvent from the mixed solvent in which a matrix resin and a zwitterion compound are melt | dissolved, shaping | molding of an electrolyte and addition of a zwitterion compound can be carried out simultaneously, The number of steps can be reduced compared to the method for preparing an electrolyte.

「연료전지」`` Fuel cell ''

도 1에는, 본 실시형태의 연료전지를 구성하는 단위셀의 모식도를 나타낸다. 도 1에 나타내는 단위셀(1)은, 산소극(2)과, 연료극(3)과, 산소극(2) 및 연료극(3)의 사이에 협지된 프로톤 전도성 전해질(4)(이하, 전해질막(4)으로 표기하는 경우가 있음), 산소극(2)의 외측에 배치된 산화제 유로(5a)를 갖는 산화제 바이폴라 플레이트(5)와, 연료극(3)의 외측에 배치된 연료 유로(6a)를 갖는 연료 바이폴라 플레이트(6)로 구성되고, 작동온도100℃∼200℃, 습도가 무가습 또는 상대습도 50%이하의 조건으로 작동하는 것이다.1, the schematic diagram of the unit cell which comprises the fuel cell of this embodiment is shown. The unit cell 1 shown in FIG. 1 includes a proton conductive electrolyte 4 (hereinafter referred to as an electrolyte membrane) sandwiched between an oxygen electrode 2, a fuel electrode 3, and an oxygen electrode 2 and a fuel electrode 3. (4), the oxidant bipolar plate 5 having the oxidant flow path 5a disposed outside the oxygen electrode 2, and the fuel flow path 6a disposed outside the fuel electrode 3. It consists of a fuel bipolar plate (6) having a working temperature of 100 ℃ to 200 ℃, the humidity is operating under the condition of no humidity or 50% relative humidity.

연료극(3) 및 산소극(2)은 각각 다공질성의 촉매층(2a, 3a)과, 각 촉매층(2a, 3a)을 유지하는 다공질 카본 시트(카본 다공질체)(2b, 3b)로 개략 구성되어 있다. 촉매층(2a, 3a)에는, 전극촉매(촉매)와 이 전극촉매를 고화성형하기 위한 소수성 결착제와 도전재가 포함되어 있다.The fuel electrode 3 and the oxygen electrode 2 are schematically composed of porous catalyst layers 2a and 3a and porous carbon sheets (carbon porous bodies) 2b and 3b holding the catalyst layers 2a and 3a, respectively. . The catalyst layers 2a and 3a contain an electrode catalyst (catalyst), a hydrophobic binder and a conductive material for solidifying the electrode catalyst.

촉매는, 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응을 촉진하는 금속이면 특히 한정되지 않지만, 예를 들어 납, 철, 망간, 코발트, 크롬, 갈륨, 바나듐, 텅스텐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 백금, 로듐 또는 그들의 합금을 들 수 있다. 이러한 금속 또는 합금을 활성탄에 담지시킴으로써, 전극촉매를 구성할 수 있다.The catalyst is not particularly limited as long as it is a metal that promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen. For example, lead, iron, manganese, cobalt, chromium, gallium, vanadium, tungsten, ruthenium, iridium, palladium, platinum, rhodium Or their alloys. By supporting such a metal or alloy on activated carbon, an electrocatalyst can be constituted.

또한, 소수성 결착제로는, 예를 들어 불소수지를 사용할 수 있다. 불소수지 중에서도 융점이 400℃이하인 것이 바람직하고, 그러한 불소수지로서 폴리사불화에 틸렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 폴리불화비닐리덴, 테트라플루오로에틸렌ㅇ헥사플루오로에틸렌 공중합체, 퍼플루오로에틸렌 등이라는 소수성 및 내열성이 우수한 수지를 사용할 수 있다. 소수성 결착제를 첨가함으로써, 발전반응에 따라 생성한 물에 의해 촉매층(2a, 3a)이 과잉으로 젖는 것을 방지할 수 있고, 연료극(3) 및 산소극(2) 내부에서의 연료가스 및 산소의 확산저해를 방지할 수 있다.As the hydrophobic binder, for example, a fluororesin can be used. It is preferable that melting | fusing point is 400 degrees C or less among fluororesins, and, as such a fluororesin, a polytetrafluoro fluoride, a tetrafluoroethylene- perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, a polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene hexafluoroethylene Resin excellent in hydrophobicity and heat resistance, such as a copolymer and perfluoroethylene, can be used. By adding a hydrophobic binder, it is possible to prevent the catalyst layers 2a and 3a from excessively being wetted by the water generated by the power generation reaction, and the fuel gas and oxygen in the fuel electrode 3 and the oxygen electrode 2 can be prevented. Diffusion inhibition can be prevented.

또한, 도전재로서는, 전기 전도성 물질이면 어떠한 것이어도 되고, 각종 금속이나 탄소재료 등을 들 수 있다. 예를 들어, 아세틸렌 블랙 등의 카본 블랙, 활성탄 및 흑연 등을 들 수 있고, 이들은 단독 혹은 혼합하여 사용된다.Moreover, as an electrically conductive material, what kind of thing may be sufficient as it is an electrically conductive substance, and various metals, a carbon material, etc. are mentioned. For example, carbon black, such as acetylene black, activated carbon, graphite, etc. are mentioned, These are used individually or in mixture.

또한, 촉매층(2a, 3a)에는, 소수성 결착제에 대신하여, 또는 소수성 결착제와 함께 본 발명에 관한 프로톤 전도성 전해질을 함유시켜도 된다. 본 발명에 관한 프로톤 전도성 전해질을 첨가함으로써, 연료극(3) 및 산소극(2)에서의 프로톤 전도도를 향상할 수 있고, 연료극(3) 및 산소극(2)의 내부저항을 저감할 수 있다.The catalyst layers 2a and 3a may contain a proton conductive electrolyte according to the present invention instead of the hydrophobic binder or together with the hydrophobic binder. By adding the proton conductive electrolyte according to the present invention, the proton conductivity at the fuel electrode 3 and the oxygen electrode 2 can be improved, and the internal resistance of the fuel electrode 3 and the oxygen electrode 2 can be reduced.

산화제 바이폴라 플레이트(5) 및 연료 바이폴라 플레이트(6)은 도전성을 갖는 금속 등으로 구성되어 있고, 산소극(2) 및 연료극(3)에 각각 접합함으로써, 집전체로서 기능하는 것과 함께, 산소극(2) 및 연료극(3)에 대해 산소 및 연료가스를 공급한다. 즉, 연료극(3)에는, 연료 바이폴라 플레이트(6)의 연료 유로(6a)를 개재하여 수소를 주성분으로 하는 연료가스가 공급되고, 또한 산소극(2)에는, 산화제 바이폴라 플레이트(5)의 산화제 유로(5a)를 개재하여 산화제로서의 산소가 공급된다. 또, 연료로서 공급되는 수소는, 탄화수소 또는 알코올의 개질에 의해 발생된 수소가 공급되는 것이어도 되고, 또한 산화제로서 공급되는 산소는, 공기에 포함되는 상태로 공급되어도 된다.The oxidant bipolar plate 5 and the fuel bipolar plate 6 are made of a conductive metal or the like, and each is bonded to the oxygen electrode 2 and the fuel electrode 3 to function as a current collector, and to serve as a current collector. 2) and the fuel electrode 3 are supplied with oxygen and fuel gas. That is, the fuel gas mainly containing hydrogen is supplied to the fuel electrode 3 via the fuel flow path 6a of the fuel bipolar plate 6, and the oxidant of the oxidant bipolar plate 5 is supplied to the oxygen electrode 2. Oxygen as an oxidant is supplied through the flow path 5a. In addition, hydrogen supplied as a fuel may be supplied with hydrogen generated by reforming of a hydrocarbon or alcohol, and oxygen supplied as an oxidant may be supplied in a state contained in air.

이 단위셀(1)에 있어서는, 연료극(3) 측에서 수소가 산화되어 프로톤이 생기고, 이 프로톤이 전해질막(4)을 전도하여 산소극(2)에 도달하여, 산소극(2)에 있어서 프로톤과 산소가 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성하는 것과 함께 전기 에너지를 발생시킨다.In the unit cell 1, hydrogen is oxidized at the fuel electrode 3 side to produce protons. The protons conduct the electrolyte membrane 4 to reach the oxygen electrode 2, so that the oxygen electrode 2 Protons and oxygen react electrochemically to produce water along with electrical energy.

여기서, 생성하는 물은, 연료전지의 작동온도 100℃∼200℃인 것으로부터, 그 거의 전부가 수증기(기체)에 가까운 상태로 생성한다. 이 수증기는 산소극(2)에 있어서 생성하는데, 그 때에 수증기의 일부가 산소극(2)에 인접하는 전해질막(4)에 침입하는 경우도 있다. 본 실시형태에 있어서는, 예를 들어 수증기가 전해질막(4)에 침입한 경우에도, 전해질막(4) 내에 포함되는 양성이온 화합물이 수증기와 함께 유출될 우려는 거의 없다. 이는, 양성이온 화합물의 매트릭스 수지에 대한 친화성이 높고, 게다가 양성이온 화합물이 액상이 아니라 고체의 상태로 존재하기 때문에 매트릭스 수지로부터 양성이온 화합물이 물리적으로 유출되기 어렵기 때문이다.Here, the generated water is generated in a state close to water vapor (gas) since the operating temperature of the fuel cell is 100 ° C to 200 ° C. This water vapor is generated in the oxygen electrode 2, and a part of the water vapor may sometimes enter the electrolyte membrane 4 adjacent to the oxygen electrode 2. In the present embodiment, even when water vapor invades the electrolyte membrane 4, for example, there is little fear that the zwitterionic compound contained in the electrolyte membrane 4 will leak out with the water vapor. This is because the affinity of the zwitterionic compound to the matrix resin is high, and since the zwitterionic compound is present in a solid state rather than in a liquid state, it is difficult for the zwitterionic compound to physically flow out of the matrix resin.

이 결과, 전해질막(4)의 조성이 변화하지 않고, 장기간에 걸쳐 높은 프로톤 전도도를 유지할 수 있다.As a result, the composition of the electrolyte membrane 4 does not change, and high proton conductivity can be maintained for a long time.

상기 구성에 의해, 작동온도가 100 내지 200℃로 무가습 혹은 상대습도 50% 이하에서도 양호한 발전성능을 장기간 안정적으로 나타내는 연료전지를 얻을 수 있고, 자동차용, 가정 발전용 또는 휴대기기용으로서 매우 적합하게 사용할 수 있다.According to the above configuration, a fuel cell exhibiting stable power generation performance over a long period of time even at an operating temperature of 100 to 200 ° C. without humidification or a relative humidity of 50% or less can be obtained, and is very suitable for automobile, home power generation, or portable equipment. Can be used.

실시예Example

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

실시예 1Example 1

(프로톤 전도성 전해질막의 제조)(Production of Proton Conductive Electrolyte Membrane)

우선, 매트릭스 수지로서 폴리 (3,3'-4,4'-비페닐테트라카르복실산-co-1,4-페닐렌디아민) 아믹산의 20%용액 (이하, "매트릭스 수지 용액"이라 함(알드리치사제)) 5g과,양성이온 화합물로서 아미드 황산(기시다화학제)(Kishida Chemical) 0.5g을 준비하였다. 또, 매트릭스 수지용액에는, 1g의 폴리(3,3'-4,4'-비페닐테트라카르복실산-co-1,4-페닐렌디아민)아믹산이 포함된다.First, a 20% solution of poly (3,3'-4,4'-biphenyltetracarboxylic acid-co-1,4-phenylenediamine) amic acid as matrix resin (hereinafter referred to as "matrix resin solution") (Made by Aldrich Co.)) 5 g and 0.5 g of amide sulfuric acid (Kishida Chemical) were prepared as a zwitterionic compound. In addition, 1 g of poly (3,3'-4,4'-biphenyltetracarboxylic acid-co-1,4-phenylenediamine) amic acid is contained in the matrix resin solution.

다음에, 매트릭스 수지 용액 및 아미드 황산을 N-메틸피롤리돈(NMP) 5g에 용해시켜 혼합용매를 조제하고, 다음에 이 혼합용매를 유리판 상에 도포하여 50℃에서 6시간 건조시켜서 NMP를 휘발시켰다. 이와 같이 하여, 막두께가 30㎛인 실시예 1의 프로톤 전도성 전해질막을 제조하였다. 표 1에, 프로톤 전도성 전해질의 매트릭스 수지의 종류, 양성이온 화합물(도펀트)의 종류 및 도핑률(중량%)을 나타낸다.Next, the matrix resin solution and the amide sulfuric acid are dissolved in 5 g of N-methylpyrrolidone (NMP) to prepare a mixed solvent. Next, the mixed solvent is applied onto a glass plate and dried at 50 ° C. for 6 hours to volatilize NMP. I was. Thus, the proton conductive electrolyte membrane of Example 1 which has a film thickness of 30 micrometers was manufactured. In Table 1, the kind of matrix resin of a proton conductive electrolyte, the kind of zwitterionic compound (dopant), and doping rate (weight%) are shown.

(프로톤 전도성 전해질막의 프로톤 전도도)(Proton Conductivity of Proton Conductive Electrolyte Membrane)

다음에, 실시예 1의 프로톤 전도성 전해질막을 직경 13mm의 원판형상의 백금 전극에 끼워넣고, 복소임피던스 측정으로 프로톤 전도도를 측정하였다. 프로톤 전도도의 온도의존성을 도 2에 나타낸다. 또한, 표 1에 150℃에서의 프로톤 전도도를 나타낸다. 표 1에 나타내는 바와 같이, 150℃에서의 프로톤 전도도는 1.1×10-3Scm-1이었다.Next, the proton conductive electrolyte membrane of Example 1 was inserted into a disk-shaped platinum electrode having a diameter of 13 mm, and the proton conductivity was measured by complex impedance measurement. The temperature dependence of proton conductivity is shown in FIG. Table 1 also shows the proton conductivity at 150 ° C. As shown in Table 1, the proton conductivity at 150 ° C. was 1.1 × 10 −3 Scm −1 .

(연료전지)(Fuel cell)

다음에, 실시예 1의 프로톤 전도성 전해질막을 N,N'-디메틸아세트아미드용액에 용해하고, 또, 백금이 50중량% 담지된 카본 분말을 가하여, 이들을 충분히 교반하여 현탁액을 얻었다. 이 때, 고형분의 중량비로 백금담지 카본 분말과 프로톤 전도성 전해질의 중량비가 백금담지 카본 분말:프로톤 전도성 전해질=2:1이 되도록 조정하였다. 이 현탁액을 카본 다공질체(기공률 75%) 상에 도포하고, 이를 건조하여 연료전지용의 다공질 전극으로 하였다.Next, the proton conductive electrolyte membrane of Example 1 was dissolved in N, N'-dimethylacetamide solution, and carbon powder supported by 50% by weight of platinum was added, and these were sufficiently stirred to obtain a suspension. At this time, the weight ratio of the platinum-carrying carbon powder and the proton conductive electrolyte in the weight ratio of the solid content was adjusted so that the platinum-carrying carbon powder: proton conductive electrolyte was 2: 1. This suspension was applied onto a carbon porous body (porosity 75%), and dried to obtain a porous electrode for a fuel cell.

그리고, 한 쌍의 상기 다공질 전극의 사이에 실시예 1의 프로톤 전도성 전해질막을 끼워넣어 단위셀(연료전지)로 하였다.The proton conductive electrolyte membrane of Example 1 was sandwiched between a pair of the porous electrodes to form a unit cell (fuel cell).

연료에 수소, 산화제에 공기를 각각 공급하여 150℃에서 발전시험을 하였다.발전시험은, 100mA/㎠의 전류밀도에 상당하는 정전류를 얻는 조건으로 행하고, 장시간에 걸쳐 전지를 작동시켜, 발전개시시의 전압을 100%로 한 경우의 폐회로 전압의 상대값의 경시변화를 측정하였고, 측정 결과는 도 2에 나타내었다. 또한, 표 1에는 연료전지의 발전개시 전의 개방회로 전압을 나타내는 것과 함께, 발전개시 직후의 폐회로 전압에 대한 200시간 경과 후의 폐회로 전압의 전압감소율을 나타낸다.The power generation test was conducted at 150 ° C. by supplying hydrogen to the fuel and air to the oxidant. The power generation test was conducted under conditions under which a constant current corresponding to a current density of 100 mA / cm 2 was obtained, and the battery was operated for a long time. The change over time of the relative value of the closed-circuit voltage when the voltage of 100% was measured was shown in FIG. 2. In addition, Table 1 shows the open-circuit voltage before the start of power generation of the fuel cell, and shows the voltage reduction rate of the closed-circuit voltage after 200 hours with respect to the closed-circuit voltage immediately after the start of power generation.

표 1에 나타내는 바와 같이, 연료전지의 발전개시 전의 개방회로 전압은 0.901V이었다. 한편, 발전개시 직후의 폐회로 전압은 0.584V가 되었다. 또한, 표 1 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 실시예 1의 프로톤 전도성 전해질을 구비한 연료전지는 안정된 전지특성을 나타냈다.As shown in Table 1, the open circuit voltage before the start of power generation of the fuel cell was 0.901V. On the other hand, the closed-circuit voltage immediately after power generation started became 0.584V. In addition, as shown in Table 1 and FIG. 3, the fuel cell including the proton conductive electrolyte of Example 1 exhibited stable battery characteristics.

실시예 2Example 2

양성이온 화합물로서 아미드 인산을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 같이 하여 실시예 2의 프로톤 전도성 전해질막을 제조하였다.A proton conductive electrolyte membrane of Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that amide phosphoric acid was used as the zwitterion compound.

실시예 3Example 3

매트릭스 수지로서 폴리(피로멜리트산-co-4,4'-옥시디아닐린)아믹산을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 같이 하여 실시예 3의 프로톤 전도성 전해질막을 제조하였다.A proton conductive electrolyte membrane of Example 3 was prepared in the same manner as in Example 1 except that poly (pyromellitic acid-co-4,4′-oxydianiline) amic acid was used as the matrix resin.

실시예 4Example 4

매트릭스 수지로서 폴리(피로멜리트산-co-4,4'-옥시디아닐린)아믹산을 사용하는 것과 함께, 양성이온 화합물로서 아미드 인산을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 같이 하여 실시예 4의 프로톤 전도성 전해질막을 제조하였다.The proton conductivity of Example 4 was the same as in Example 1 except that poly (pyromellitic acid-co-4,4'-oxydianiline) amic acid was used as the matrix resin, and amide phosphoric acid was used as the zwitterionic compound. An electrolyte membrane was prepared.

실시예 5Example 5

매트릭스 수지로서 폴리비닐피롤리돈을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 같이하여 실시예 5의 프로톤 전도성 전해질막을 제조하였다.A proton conductive electrolyte membrane of Example 5 was prepared in the same manner as in Example 1 except that polyvinylpyrrolidone was used as the matrix resin.

실시예 6Example 6

매트릭스 수지로서 폴리비닐피롤리돈을 사용하는 것과 함께, 양성이온 화합물로서 아미드 인산을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 같이 하여 실시예 6의 프로톤 전도성 전해질막을 제조하였다.A proton conductive electrolyte membrane of Example 6 was prepared in the same manner as in Example 1 except that polyvinylpyrrolidone was used as the matrix resin, and amide phosphoric acid was used as the zwitterion compound.

실시예 7Example 7

매트릭스 수지로서 폴리아크릴아미드를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 같이 하여 실시예 7의 프로톤 전도성 전해질막을 제조하였다.A proton conductive electrolyte membrane of Example 7 was prepared in the same manner as in Example 1 except that polyacrylamide was used as the matrix resin.

실시예 8Example 8

매트릭스 수지로서 폴리아크릴아미드를 사용하는 것과 함께, 양성이온 화합물로서 아미드 인산을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 같이 하여 실시예 8의 프로톤 전도성 전해질막을 제조하였다.A proton conductive electrolyte membrane of Example 8 was prepared in the same manner as in Example 1 except that polyacrylamide was used as the matrix resin and amide phosphoric acid was used as the zwitterion compound.

실시예 9Example 9

매트릭스 수지로서 폴리(트리멜리트산클로라이드-co-4,4'-메틸렌디아닐린)을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 같이 하여 실시예 9의 프로톤 전도성 전해질막을 제조하였다.A proton conductive electrolyte membrane of Example 9 was prepared in the same manner as in Example 1 except that poly (trimelitic acid chloride-co-4,4'-methylenedianiline) was used as the matrix resin.

실시예 10Example 10

매트릭스 수지로서 폴리(트리멜리트산클로라이드-co-4,4'-메틸렌디아닐린)을 사용하는 것과 함께, 양성이온 화합물로서 아미드 인산을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 같이 하여 실시예 10의 프로톤 전도성 전해질막을 제조하였다.The proton conductive electrolyte of Example 10 was used in the same manner as in Example 1, except that poly (trimelitic acid chloride-co-4,4'-methylenedianiline) was used as the matrix resin, and amide phosphoric acid was used as the zwitterionic compound. The membrane was prepared.

비교예 1Comparative Example 1

폴리벤즈이미다졸을 NMP에 용해하여 용액을 조제하고, 이어서 도막, 예비건조, 본 건조, 수중에의 침지에 의한 팽윤을 순차적으로 행하여 막두께 30㎛의 폴리벤즈이미다졸막을 얻었다. 그리고, 이 폴리벤즈이미다졸막을 실온에서 85% 인산에 직접 침지하고, 10분 후에 끌어올려 막표면의 인산을 와이핑 크로스로 닦아내었다.이와 같이 하여, 비교예 1의 프로톤 전도성 전해질막을 제조하였다.Polybenzimidazole was dissolved in NMP to prepare a solution, followed by swelling by coating film, predrying, main drying, and immersion in water in order to obtain a polybenzimidazole film having a film thickness of 30 µm. The polybenzimidazole membrane was then directly immersed in 85% phosphoric acid at room temperature, and after 10 minutes, the polybenzimidazole membrane was pulled up to wipe off the surface of the membrane with a wiping cross. Thus, the proton conductive electrolyte membrane of Comparative Example 1 was prepared. .

실시예 2∼10 및 비교예 1의 평가Evaluation of Examples 2-10 and Comparative Example 1

실시예 1과 같이 하여, 실시예 2∼10 및 비교예 1의 프로톤 전도성 전해질막의 프로톤 전도도를 복소임피던스 측정으로 결정하였다. 표 1에 150℃에서의 프로톤 전도도를 나타낸다.As in Example 1, the proton conductivity of the proton conductive electrolyte membranes of Examples 2 to 10 and Comparative Example 1 was determined by complex impedance measurement. Table 1 shows the proton conductivity at 150 ° C.

또한, 실시예 1과 같이 하여, 프로톤 전도성 전해질막을 연료전지에 내장하여 발전시험을 행하고, 발전개시 전의 개방회로 전압과 발전개시 직후의 폐회로 전압에 대한 200시간 경과 후의 폐회로 전압의 전압감소율을 측정하였다. 결과를 각각 표 1에 나타낸다.In addition, as in Example 1, a power generation test was carried out by embedding a proton conductive electrolyte membrane in a fuel cell, and the voltage reduction rate of the closed circuit voltage after 200 hours with respect to the open circuit voltage before the start of power generation and the closed circuit voltage immediately after the start of power generation was measured. . The results are shown in Table 1, respectively.

또한, 표 1에는 프로톤 전도성 전해질의 매트릭스 수지의 종류, 양성이온 화합물(도펀트)의 종류 및 도핑률(중량%)을 함께 나타낸다.Table 1 also shows the type of matrix resin of the proton conductive electrolyte, the type of zwitterionic compound (dopant), and the doping rate (% by weight).

하기 표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 2∼10의 프로톤 전도성 전해질막의 프로톤 전도도는, 비교예 1의 경우에 비하여 매우 높아져 있는 것을 알 수 있다. 또한, 200시간 후의 전압감소율에 대해서도, 실시예 2∼10의 프로톤 전도성 전해질막에서는 4.9∼5.8% 정도에 그쳐 있는 것에 대해, 비교예 1에서는 프로톤 전도도가 낮기 때문에 발전 자체가 불가능하게 되어 있다.As shown in Table 1 below, it can be seen that the proton conductivity of the proton conductive electrolyte membranes of Examples 2 to 10 is much higher than in the case of Comparative Example 1. In addition, the voltage reduction rate after 200 hours is only about 4.9 to 5.8% in the proton conductive electrolyte membranes of Examples 2 to 10, whereas in Comparative Example 1, the proton conductivity is low, and thus power generation itself is impossible.

[표 1]TABLE 1

Figure 112006022529516-pat00001
Figure 112006022529516-pat00001

표 1에 나타내는 바와 같이, 도펀트(양성이온 화합물, 인산)의 도핑률이 거의 동일함에도 불구하고, 실시예 2∼실시예 10의 프로톤 전도성 전해질막은, 비교예 1의 프로톤 전도성 전해질에 비해 매우 우수한 성능을 갖고 있는 것을 알 수 있다.As shown in Table 1, although the dopants (cationic compounds, phosphoric acid) have almost the same doping rate, the proton conductive electrolyte membranes of Examples 2 to 10 have very excellent performances compared to the proton conductive electrolyte of Comparative Example 1 You can see that you have.

또, 참고를 위해서, 비교예 1의 프로톤 전도성 전해질의 도핑률을 163%에서 400%로 끌어올리면, 그 때의 200시간 후의 전압감소율은 14.2%정도가 된다. 이와 같이 비교예 1에서는, 도핑량을 대폭적으로 끌어올렸어도 전압감소율이 대폭적으로 개선되지 않고 실시예 1∼실시예 10에는 전혀 미치지 못하는 것으로 되어 있다.For reference, when the doping rate of the proton conductive electrolyte of Comparative Example 1 is increased from 163% to 400%, the voltage reduction rate after 200 hours at that time is about 14.2%. As described above, in Comparative Example 1, even if the doping amount is greatly increased, the voltage reduction rate is not significantly improved and the results are not comparable to Examples 1 to 10.

이와 같이, 실시예 2∼실시예 10 및 실시예 1의 프로톤 전도성 전해질은, 폴리벤즈이미다졸과 인산으로 이루어지는 종래의 프로톤 전도성 전해질에 비해, 보다 적은 도핑량으로 발전을 행하는 것이 가능하고, 게다가 전압 저하율에 대해서도 우위인 것을 알 수 있다.As described above, the proton conductive electrolytes of Examples 2 to 10 and Example 1 can generate power with a lower doping amount, compared with the conventional proton conductive electrolyte composed of polybenzimidazole and phosphoric acid. It turns out that it is superior also about a fall rate.

본 발명의 연료전지용의 프로톤 전도성 전해질을 구성하는 매트릭스 수지 및 양성이온 화합물은, 100 내지 200℃의 온도범위에 있어서 모두 고체상이므로, 100 내지 200℃의 작동온도에서 상대습도가 0∼50%의 범위의 연료전지의 작동조건 하에서도 액상으로 변화할 우려가 없고, 이에 의해 발전반응에 따라 생성된 물과 함께 양성이온 화합물이 전해질의 외부로 노출되지 않고, 장기간 안정적으로 작동하는 고체 고분자형 연료전지를 얻을 수 있다.Since the matrix resin and the zwitterionic compound constituting the proton conductive electrolyte for the fuel cell of the present invention are all solid in the temperature range of 100 to 200 ° C, the relative humidity is in the range of 0 to 50% at the operating temperature of 100 to 200 ° C. There is no risk of changing to liquid phase even under the operating conditions of the fuel cell. Accordingly, a solid polymer fuel cell which operates stably for a long time without being exposed to the outside of the electrolyte together with the water generated by the power generation reaction. You can get it.

또한, 본 발명의 연료전지용의 프로톤 전도성 전해질의 제조방법에 의하면, 매트릭스 수지와 양성이온 화합물이 용해되어 이루어지는 혼합용매에서 용매를 제거함으로써, 양성이온 화합물을 매트릭스 수지 중에 함유시킬 수 있고, 전해질의 성형과 양성이온 화합물의 첨가를 동시에 행할 수 있으며, 종래의 전해질의 제조방법에 비해 공정수를 적게 할 수 있다.Further, according to the method for producing a proton conductive electrolyte for a fuel cell of the present invention, the zwitterion compound can be contained in the matrix resin by removing the solvent from the mixed solvent in which the matrix resin and the zwitterion compound are dissolved, thereby forming the electrolyte. The addition of the zwitterionic compound and the zwitterion compound can be carried out simultaneously, and the number of steps can be reduced as compared with the conventional method for producing electrolyte.

Claims (10)

분자 중에 아미드 결합구조를 갖는 매트릭스 수지에 양성이온 화합물이 함유되어 것을 특징으로 하는 연료전지용 프로톤 전도성 전해질.A proton conductive electrolyte for a fuel cell, wherein a zwitterionic compound is contained in a matrix resin having an amide bond structure in a molecule thereof. 제1항에 있어서, 상기 양성이온 화합물이 옥소산의 하이드록시기를 아미노기로 치환한 아미드화 옥소산 화합물(aminated oxyacid)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 프로톤 전도성 전해질.The proton conductive electrolyte for a fuel cell according to claim 1, wherein the zwitterionic compound is an amidated oxyacid in which a hydroxy group of oxo acid is substituted with an amino group. 제2항에 있어서, 상기 양성이온 화합물이 아미드 황산, 아미드 인산, 디아미드 인산, 이인산테트라아미드, 티오인산 트리아미드 또는 이들의 유도체 중 어느 하나 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 프로톤 전도성 전해질.The proton conductive electrolyte for a fuel cell according to claim 2, wherein the zwitterionic compound is at least one compound of amide sulfuric acid, amide phosphoric acid, diamide phosphoric acid, tetraphosphoric diphosphate, thiophosphate triamide or derivatives thereof. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스 수지가 폴리아믹산, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴아미드, 폴리아미드이미드, 폴리아미드중에서 선택되는 하나 이상의 폴리머로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 프로톤 전도성 전해질.The proton conductive electrolyte for fuel cell according to claim 1, wherein the matrix resin is composed of at least one polymer selected from polyamic acid, polyvinylpyrrolidone, polyacrylamide, polyamideimide, and polyamide. 분자 중에 아미드 결합구조를 갖는 매트릭스 수지와 양성이온 화합물을 용매에 용해하여 혼합용매로 하는 공정; 및 Dissolving a matrix resin having a amide bond structure and a zwitterionic compound in a solvent to form a mixed solvent in a molecule; And 상기 혼합용매에서 상기 용매를 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하 는 연료전지용 프로톤 전도성 전해질의 제조방법.Method of producing a proton conductive electrolyte for a fuel cell comprising the step of removing the solvent from the mixed solvent. 한 쌍의 전극과 각 전극의 사이에 배치된 전해질막으로 구성되고, 상기 전해질막이 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 프로톤 전도성 전해질인 것을 특징으로 하는 연료전지.A fuel cell comprising a pair of electrodes and an electrolyte membrane disposed between each electrode, wherein the electrolyte membrane is a proton conductive electrolyte according to any one of claims 1 to 4. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 전극의 일부에 분자 중에 아미드 결합구조를 갖는 매트릭스 수지에 양성이온 화합물이 함유되어 이루어진 프로톤 전도성 전해질을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.And a proton conductive electrolyte comprising a zwitterionic compound in a matrix resin having an amide bond structure in a molecule of a part of the electrode. 제7항에 있어서, 상기 양성이온 화합물이 옥소산의 하이드록시기를 아미노기로 치환한 아미드화 옥소산 화합물(aminated oxy acid) 인 것을 특징으로 하는 연료전지.The fuel cell according to claim 7, wherein the zwitterionic compound is an amidated oxy acid in which a hydroxy group of oxo acid is substituted with an amino group. 제7항에 있어서, 상기 양성이온 화합물이 아미드 황산, 아미드 인산, 디아미드 인산, 이인산테트라아미드, 티오인산 트리아미드 또는 이들의 유도체 중 어느 하나 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 연료전지.The fuel cell according to claim 7, wherein the zwitterionic compound is at least one compound of amide sulfuric acid, amide phosphoric acid, diamide phosphoric acid, tetraphosphate diphosphate, thiophosphate triamide or derivatives thereof. 제7항에 있어서, 상기 매트릭스 수지가 폴리아믹산, 폴리비닐피롤리돈, 폴리 아크릴아미드, 폴리아미드이미드, 폴리아미드중에서 선택되는 하나 이상의 폴리머로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.8. The fuel cell according to claim 7, wherein the matrix resin is composed of at least one polymer selected from polyamic acid, polyvinylpyrrolidone, poly acrylamide, polyamideimide, and polyamide.
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