KR100714362B1 - Electrolyte for fuel cell, membrane and electrode assembly, and method for manufacturing the electrolyte for fuel cell - Google Patents

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Abstract

염기성 폴리머를 포함하는 연료전지용 전해질에 있어서, 산첨가 전후의 치수변화를 억제하고, 주름 등의 발생을 감소시킨다. 본 발명의 연료전지용 전해질은 염기성 폴리머와 하기 화학식 1에서 나타내는 유기 포스폰산을 포함하는 것을 특징으로 한다.In a fuel cell electrolyte containing a basic polymer, dimensional change before and after acid addition is suppressed and wrinkles and the like are reduced. The electrolyte for a fuel cell of the present invention includes a basic polymer and an organic phosphonic acid represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112005032606242-pat00001
Figure 112005032606242-pat00001

식 중, R은 C1-C20 알킬기, C6-C20 아릴기, C1-C20 아실기, 아미노기, 포스폰기 또는 이들 관능기의 유도체를 나타내고, n은 1 또는 2이다. In formula, R represents a C1-C20 alkyl group, a C6-C20 aryl group, a C1-C20 acyl group, an amino group, a phosphone group, or derivatives of these functional groups, n is 1 or 2 .

Description

연료전지용 전해질, 막전극 접합체 및 연료전지용 전해질의 제조방법 {Electrolyte for fuel cell, membrane and electrode assembly, and method for manufacturing the electrolyte for fuel cell}Electrolyte for fuel cell, membrane and electrode assembly, and method for manufacturing the electrolyte for fuel cell}

도 1은 함수율 산출용의 TG차트를 모식적으로 나타내는 도면이고,1 is a diagram schematically showing a TG chart for calculating moisture content.

도 2는 산 첨가 후, 22 ㅀC, 62% RH에서 보존된 실시예 1 및 비교예 1에 대해서, 상술한 함수율 평가방법에 의해 측정된 함수율의 시간변화를 나타내는 그래프이고,2 is a graph showing the time-dependent change in moisture content measured by the above-described moisture content evaluation method for Example 1 and Comparative Example 1, which were stored at 22 占 폚, 62% RH after acid addition.

도 3은 150℃, 무가습의 조건하에서, 실시예 2의 연료전지용 전해질에 대해서 개회로 전압, 셀 저항의 경시변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이고,FIG. 3 is a graph showing the results of measurement of changes in the open circuit voltage and cell resistance over time with respect to the electrolyte for fuel cells of Example 2 under conditions of 150 ° C. and no humidification.

도 4는 실시예 2 및 비교예 2의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing the current-voltage characteristics of Example 2 and Comparative Example 2. FIG.

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히, 무가습 상태에서 동작 가능한 연료전지에 사용 가능한 연료전지용 전해질막 및 막전극 접합체에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to an electrolyte membrane and a membrane electrode assembly for a fuel cell, which can be used for a fuel cell that can operate in a non-humidified state.

전해질에 고체 고분자막을 사용한 고체 고분자형 연료전지가 알려져 있다. 고체 고분자형 연료전지는, 전해질로서 프로톤 전도성 고분자 전해질막을 사용하 고, 일반적으로 애노드(연료 전극), 캐소드(산화제 전극) 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함한다. 고체 고분자형 연료전지의 애노드에는, 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 마련되고, 고체 고분자형 연료전지의 캐소드에는, 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 마련된다.BACKGROUND OF THE INVENTION A solid polymer fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte is known. The solid polymer fuel cell uses a proton conductive polymer electrolyte membrane as an electrolyte and generally includes an anode (fuel electrode), a cathode (oxidant electrode), and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. The anode of the polymer electrolyte fuel cell is provided with a catalyst layer for promoting oxidation of the fuel, and the cathode of the polymer electrolyte fuel cell is provided with a catalyst layer for promoting reduction of the oxidant.

고체 고분자형 연료전지의 애노드에 공급되는 연료로는, 일반적으로 수소, 수소함유 가스, 메탄올과 물의 혼합증기, 메탄올 수용액 등이 사용된다. 고체 고분자형 연료전지의 캐소드에 공급되는 산화제로는, 일반적으로 산소, 산소함유 가스 또는 공기가 사용된다.As a fuel supplied to the anode of the solid polymer fuel cell, hydrogen, a hydrogen-containing gas, a mixed vapor of methanol and water, an aqueous methanol solution and the like are generally used. As the oxidant supplied to the cathode of the solid polymer fuel cell, oxygen, oxygen-containing gas or air is generally used.

고분자 전해질막의 재료로는, 일반적으로 불소화 알킬렌으로 구성된 주쇄와 말단에 술폰산기를 갖는 불소화 비닐에테르로 구성된 측쇄를 갖는 술포네이트 고불소화 중합체가 사용된다. 이 종류의 고분자 전해질막은 적당량의 물에 함침함으로써 발전에 충분한 이온 전도성을 발휘한다.As a material of the polymer electrolyte membrane, a sulfonate high fluorinated polymer having a main chain generally composed of fluorinated alkylene and a side chain composed of fluorinated vinyl ether having a sulfonic acid group at its terminal is used. This type of polymer electrolyte membrane is impregnated with an appropriate amount of water to exhibit sufficient ion conductivity for power generation.

이 때문에 종래의 고체 고분자형 연료전지로는, 고분자 전해질막의 수분 관리가 필요하게 되어 연료전지 시스템의 복잡화나 대형화를 초래했다.For this reason, in the conventional solid polymer fuel cell, it is necessary to manage the moisture of the polymer electrolyte membrane, resulting in the complexity and enlargement of the fuel cell system.

고분자 전해질막의 수분 관리로 인한 문제를 회피하기 위해 종래의 고분자 전해질막을 대체하는 수단으로서, 무가습 상태에서 프로톤 전도가 가능한 무가습 전해질막이 개발되었다.In order to avoid the problem due to the moisture management of the polymer electrolyte membrane, as a means of replacing the conventional polymer electrolyte membrane, a humidified electrolyte membrane capable of proton conduction in a non-humidified state has been developed.

예를 들면, 일본 특개평 11-503262호 공보는 무가습 고분자 전해질막으로서 인산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸 등의 재료를 개시한다.For example, Japanese Patent Laid-Open No. 11-503262 discloses a material such as polybenzimidazole doped with phosphoric acid as a humidified polymer electrolyte membrane.

인산을 폴리벤즈이미다졸 등의 염기성 중합체막에 도핑시키면, 염기성 중합 체막은 인산의 흡습성에 의해 치수변화를 일으킨다. 또한 인산이 흡습됨으로써 염기성 중합체막에서 인산이 빠져 나온다. 그 결과 염기성 중합체막이 수축하여 염기성 중합체막에 주름이 생기는 요인이 된다. 이 때문에, 제작한 염기성 중합체막의 보관, 막 전극 접합체 혹은 스택 조립용으로, 드라이룸 등 특수환경 설비가 필요하게 되어 제조의 어려움이나 제조비용 증가 등의 과제가 생긴다.When phosphoric acid is doped into a basic polymer film such as polybenzimidazole, the basic polymer film causes dimensional change due to hygroscopicity of phosphoric acid. In addition, the phosphoric acid is absorbed to release the phosphoric acid from the basic polymer film. As a result, the basic polymer film shrinks, causing wrinkles in the basic polymer film. For this reason, for storage of the produced basic polymer membrane, membrane electrode assembly, or stack assembly, special environmental facilities such as a dry room are required, which causes problems such as difficulty in manufacturing and increase in manufacturing cost.

본 발명은 상술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 산첨가 전후의 치수변화가 억제되고, 주름 등의 발생이 적은 염기성 중합체를 함유하는 연료전지용 전해질의 제공에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 염기성 중합체를 함유하는 연료전지용 전해질을 사용한 막전극 접합체로서, 가스 확산성이 개선된 막전극 접합체를 제공하는 것이다.This invention is made | formed in view of the above-mentioned subject, and the objective is to provide the electrolyte for fuel cells containing the basic polymer in which the dimensional change before and after acid addition is suppressed and wrinkles etc. are few. Another object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly using an electrolyte for fuel cells containing a basic polymer, wherein the membrane electrode assembly has improved gas diffusivity.

본 발명의 실시형태는, 연료전지용 전해질이다. 상기 연료전지용 전해질은, 염기성 폴리머와 하기 화학식 1로 표시되는 유기 포스폰산을 함유하는 것을 특징으로 한다.An embodiment of the present invention is a fuel cell electrolyte. The fuel cell electrolyte is characterized by containing a basic polymer and an organic phosphonic acid represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112005032606242-pat00002
Figure 112005032606242-pat00002

식 중, R은 C1-C20 알킬기, C6-C20 아릴기, C1-C20 아실기, 아미노기, 포스폰기 또는 이들 관능기의 유도체를 나타내고, n은 1 또는 2이다.In the formula, R represents a C1-C20 alkyl group, a C6-C20 aryl group, a C1-C20 acyl group, an amino group, a phosphone group or a derivative of these functional groups, and n is 1 or 2.

이에 의하면, 프로톤 전도도가 종래의 연료전지용 전해질과 동등한 레벨이면서, 치수변화나 주름의 발생 등이 억제된 연료전지용 전해질이 얻어진다.According to this, a fuel cell electrolyte is obtained in which the proton conductivity is at the same level as that of the conventional fuel cell electrolyte, and the dimensional change and the generation of wrinkles are suppressed.

상기 연료전지용 전해질에 있어서, 염기성 폴리머가 폴리벤즈이미다졸류, 폴리(피리딘류), 폴리(피리미딘류), 폴리이미다졸류, 폴리벤조티아졸류, 폴리벤조옥사졸류, 폴리옥사디아졸류, 폴리퀴놀린류, 폴리퀴녹살린류, 폴리티아디아졸류, 폴리(테트라디피렌류), 폴리옥사졸류, 폴리티아졸류, 폴리비닐피리딘류 및 폴리비닐이미다졸류로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다. 또 상기 예로서의 연료전지용 전해질에 있어서, 염기성 중합체가 폴리-2,5-벤즈이미다졸을 포함해도 좋다.In the fuel cell electrolyte, the basic polymer is polybenzimidazole, poly (pyridine), poly (pyrimidine), polyimidazole, polybenzothiazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, poly It is preferable that it is at least one selected from the group consisting of quinolines, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly (tetradipyrenes), polyoxazoles, polythiazoles, polyvinylpyridines and polyvinylimidazoles. In the fuel cell electrolyte as an example, the basic polymer may contain poly-2,5-benzimidazole.

상기 연료전지용 전해질에 있어서, 상기 유기 포스폰산이 에틸포스폰산, 메틸포스폰산 및 옥틸포스폰산으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.In the fuel cell electrolyte, the organic phosphonic acid is preferably at least one selected from the group consisting of ethylphosphonic acid, methylphosphonic acid and octylphosphonic acid.

상기 연료전지용 전해질의 함수율이 20% 이하이어도 된다. 또, 함수율의 정의에 대해서는 후술한다. 또한, 상기 예로서, 연료전지용 전해질의 신축률이 20% 이하이어도 된다. 또, 신축률의 정의에 대해서는 후술하기로 한다.The water content of the electrolyte for fuel cell may be 20% or less. In addition, the definition of a moisture content is mentioned later. Further, as an example, the stretching ratio of the electrolyte for fuel cells may be 20% or less. In addition, the definition of an expansion ratio is mentioned later.

본 발명의 다른 실시형태는 막 전극 접합체이다. 상기 막전극 접합체는, 상술한 어느 하나의 연료전지용 전해질과, 상기 연료전지용 전해질의 한쪽 면에 접합된 애노드와, 상기 연료전지용 전해질의 다른 쪽 면에 접합된 캐소드를 구비하고, 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽이 상기 화학식 1로 표시되는 유기포스폰산을 포함하는 것을 특징으로 한다.Another embodiment of the present invention is a membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly includes any one of the fuel cell electrolytes described above, an anode bonded to one side of the fuel cell electrolyte, and a cathode bonded to the other side of the fuel cell electrolyte, and includes at least an anode and a cathode. One side is characterized by comprising an organic phosphonic acid represented by the formula (1).

이에 의하면, 프로톤 전도도가 종래의 연료전지용 전해질과 동등한 레벨이면서, 치수변화나 주름의 발생 등이 억제된 연료전지용 전해질을 이용함으로써, 막전극 접합체를 제조하기 위해, 드라이 룸 등의 특별한 설비를 필요로 하지 않기 때문에, 제조비용이 절감된다. 또한, 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽에 유기포스폰산을 첨가함으로써, 전극(애노드 및/또는 캐소드)과 연료전지용 전해질의 계면저항이 감소되고, 가스 확산성이 향상한다.According to this, a special facility such as a dry room is required to manufacture a membrane electrode assembly by using a fuel cell electrolyte having a proton conductivity equal to that of a conventional fuel cell electrolyte and suppressing dimensional change, wrinkles, and the like. Since it does not, manufacturing cost is saved. In addition, by adding organic phosphonic acid to at least one of the anode and the cathode, the interfacial resistance between the electrode (anode and / or cathode) and the fuel cell electrolyte is reduced, and the gas diffusivity is improved.

상기 막전극 접합체에 있어서, 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽이 에틸포스폰산, 메틸포스폰산, 및 옥틸포스폰산으로 이루어지는 군에서 선택되는 유기포스폰산을 포함해도 된다.In the membrane electrode assembly, at least one of the anode and the cathode may include an organic phosphonic acid selected from the group consisting of ethylphosphonic acid, methylphosphonic acid, and octylphosphonic acid.

상기 막전극 접합체에 있어서, 연료전지용 전해질에 포함되는 유기포스폰산의 함량, 애노드에 포함되는 유기포스폰산의 함량 및 캐소드에 포함되는 유기포스폰산의 함량의 합계가 염기성 폴리머의 100-800몰%이어도 된다.In the membrane electrode assembly, the sum of the content of the organic phosphonic acid contained in the fuel cell electrolyte, the organic phosphonic acid contained in the anode, and the content of the organic phosphonic acid contained in the cathode is 100-800 mol% of the basic polymer. do.

본 발명의 또 다른 실시형태는, 막전극 접합체이다. 상기 막전극 접합체는, 상술한 어느 하나의 연료전지용 전해질과, 연료전지용 전해질의 한쪽 면에 접합된 애노드와, 연료전지용 전해질의 다른 쪽 면에 접합된 캐소드를 구비하고, 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽이 하기 화학식 2로 표시되는 가수분해성 인산 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.Another embodiment of the present invention is a membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly includes any one of the fuel cell electrolytes described above, an anode bonded to one side of the fuel cell electrolyte, and a cathode bonded to the other side of the fuel cell electrolyte, and at least one of the anode and the cathode It is characterized by including a hydrolyzable phosphoric acid compound represented by the following formula (2).

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112005032606242-pat00003
Figure 112005032606242-pat00003

식 중, R은 C1-C20 알킬기 또는 C1-C20 알콕시알킬기를 나타내고, n은 1 또는 2이다.In the formula, R represents a C1-C20 alkyl group or a C1-C20 alkoxyalkyl group, n is 1 or 2.

이에 의하면, 프로톤 전도도가 종래의 연료전지용 전해질과 동등한 레벨이면서, 치수변화나 주름의 발생 등이 억제된 연료전지용 전해질을 이용함으로써, 막전극 접합체를 제조하기 위해, 드라이 룸 등의 특별한 설비를 필요로 하지 않기 때문에, 제조비용이 저감된다. 또한, 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽에 인산 화합물을 첨가함으로써, 전극(애노드 및/또는 캐소드)과 연료전지용 전해질의 계면저항이 저감하고, 가스 확산성이 향상한다.According to this, a special facility such as a dry room is required to manufacture a membrane electrode assembly by using a fuel cell electrolyte having a proton conductivity equal to that of a conventional fuel cell electrolyte and suppressing dimensional change, wrinkles, and the like. Since it does not, manufacturing cost is reduced. In addition, by adding a phosphoric acid compound to at least one of the anode and the cathode, the interface resistance between the electrode (anode and / or cathode) and the fuel cell electrolyte is reduced, and the gas diffusivity is improved.

상기 막전극 접합체에 있어서, 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽이 에틸산포스페이트, 메틸산포스페이트, 부틸산포스페이트, 올레인산포스페이트, 디부틸포스페이트로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 인산 화합물을 포함해도 된다.In the membrane electrode assembly, at least one of the anode and the cathode may include one or more phosphoric acid compounds selected from the group consisting of ethyl phosphate, methyl phosphate, butyl phosphate, oleate phosphate and dibutyl phosphate.

상기 막전극 접합체에 있어서, 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽이 모노에틸포스페이트, 모노메틸포스페이트, 모노n-부틸포스페이트, 모노n-옥틸포스페이트로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 인산 화합물을 포함해도 된다.In the membrane electrode assembly, at least one of the anode and the cathode may include at least one phosphoric acid compound selected from the group consisting of monoethyl phosphate, monomethyl phosphate, mono n-butyl phosphate and mono n-octyl phosphate.

상기 막전극 접합체에 있어서, 연료전지용 전해질에 포함되는 인산 화합물의 함량, 애노드에 포함되는 인산 화합물의 함량 및 캐소드에 포함되는 인산 화합물의 함량의 합계가 염기성 폴리머의 5-800몰%이어도 된다.In the above membrane electrode assembly, the total of the phosphoric acid compound content contained in the content of the phosphate compound, the content of the phosphate compound and the cathode contained in the anode included in the fuel cell, the electrolyte may be 5-800 mol% of the basic polymer.

본 발명의 또 다른 실시형태는, 연료전지용 전해질의 제조방법이다. 상기 연료전지용 전해질의 제조방법은, 염기성 폴리머를 성막하는 공정과, 염기성 폴리머를 화학식 1로 표시되는 유기포스폰산이 용해된 수용액에 함침 하는 공정을 구비하 는 것을 특징으로 한다.Another embodiment of the present invention is a method for producing an electrolyte for fuel cells. The fuel cell electrolyte production method includes a step of forming a basic polymer and a step of impregnating the basic polymer in an aqueous solution in which the organic phosphonic acid represented by the formula (1) is dissolved.

상기 연료전지용 전해질의 제조방법에 있어서, 유기포스폰산이 에틸포스폰산, 메틸포스폰산, 옥틸포스폰산으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상이어도 된다.In the fuel cell electrolyte production method, the organic phosphonic acid may be one or more selected from the group consisting of ethyl phosphonic acid, methyl phosphonic acid and octyl phosphonic acid.

또, 상술한 각 요소를 적절히 조립한 것도, 본 특허 출원에 의해, 특허에 의한 보호를 요구하는 발명의 범위에 포함될 수 있다.Moreover, what suitably assembled each element mentioned above can also be included in the scope of the invention which requires protection by a patent by this patent application.

(제 1 실시형태)(1st embodiment)

본 실시형태에 관한 연료전지용 전해질은, 염기성 폴리머와 하기 화학식 1로 표시되는 유기 포스폰산을 함유한다.The fuel cell electrolyte according to the present embodiment contains a basic polymer and an organic phosphonic acid represented by the following general formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112005032606242-pat00004
Figure 112005032606242-pat00004

식 중, R은 C1-C20 알킬기, C6-C20 아릴기, C1-C20 아실기, 아미노기, 포스폰기 또는 이들 관능기의 유도체를 나타내고, n은 1 또는 2이다.In the formula, R represents a C1-C20 alkyl group, a C6-C20 aryl group, a C1-C20 acyl group, an amino group, a phosphone group or a derivative of these functional groups, and n is 1 or 2.

(염기성 폴리머)(Basic polymer)

염기성 폴리머는 염기성 중합체는 폴리벤즈이미다졸류, 폴리(피리딘류), 폴리(피리미딘류), 폴리이미다졸류, 폴리벤조티아졸류, 폴리벤조옥사졸류, 폴리옥사디아졸류, 폴리퀴놀린류, 폴리퀴녹살린류, 폴리티아디아졸류, 폴리(테트라디피렌류), 폴리옥사졸류, 폴리티아졸류, 폴리비닐피리딘류 및 폴리비닐이미다졸류로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다. Basic polymers are polybenzimidazoles, poly (pyridines), poly (pyrimidines), polyimidazoles, polybenzothiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinolines, poly It is preferably at least one selected from the group consisting of quinoxalines, polythiadiazoles, poly (tetradipyrenes), polyoxazoles, polythiazoles, polyvinylpyridines and polyvinylimidazoles.

또한, 염기성 폴리머가 폴리-2,5-벤즈이미다졸을 포함하는 것이 바람직하다.It is also preferred that the basic polymer comprises poly-2,5-benzimidazole.

(유기포스폰산)(Organic phosphonic acid)

유기포스폰산은 에틸포스폰산, 메틸포스폰산, 옥틸포스폰산으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.The organic phosphonic acid is preferably at least one selected from the group consisting of ethyl phosphonic acid, methyl phosphonic acid and octyl phosphonic acid.

본 실시형태에 관한 연료전지용 전해질은, 후술하는 함수율 평가방법으로 구해진 함수율이 20% 이하, 보다 바람직하게는 10% 이하로 억제된다.In the fuel cell electrolyte according to the present embodiment, the water content determined by the water content evaluation method described later is suppressed to 20% or less, more preferably 10% or less.

또한, 본 실시형태에 관한 연료전지용 전해질은, 후술하는 신축률 평가방법으로 구해진 신축률이 20% 이하, 보다 바람직하게는 10% 이하로 억제된다.In the fuel cell electrolyte according to the present embodiment, the expansion rate obtained by the expansion rate evaluation method described later is suppressed to 20% or less, more preferably 10% or less.

본 실시형태에 관한 연료전지용 전해질은, 염기성 폴리머에 첨가되는 산으로서 흡수성이 부족한 유기포스폰산이 이용되고 있기 때문에, 인산 화합물 첨가 전후에, 치수변화가 적고, 주름 등이 잘 발생하지 않는다는 특성을 가진다.In the fuel cell electrolyte according to the present embodiment, since the organic phosphonic acid lacking the absorbency is used as the acid added to the basic polymer, the phosphate compound has a characteristic that there is little dimensional change and wrinkles are not easily generated before and after the addition of the phosphate compound. .

또, 본 실시형태에 관한 연료전지용 전해질은, 유기포스폰산 수용액에 염기성 폴리머를 함침함으로써 얻어진다. 이 때문에, 유기포스폰산의 함수율은, 함침 후, 건조공정, 연료전지에의 내장공정, 제품으로서 사용되는 단계와 같이, 시간이 경과함과 함께 서서히 감소한다. 연료전지에 내장되어 제품이 된 후, 통상의 조건, 예를 들어 150℃, 무가습에서 운전되면, 연료전지용 전해질의 함수율은 최종적으로 거의 0이 된다.The fuel cell electrolyte according to the present embodiment is obtained by impregnating a basic polymer in an organic phosphonic acid aqueous solution. For this reason, the water content of the organic phosphonic acid gradually decreases with time as in the drying step, the step of embedding in the fuel cell, and the step used as a product after the impregnation. After being embedded in a fuel cell and becoming a product, when the battery is operated under normal conditions, for example, 150 ° C. and no humidification, the water content of the electrolyte for the fuel cell finally becomes almost zero.

(함수율 평가방법)(Water content evaluation method)

연료전지용 전해질의 함수율의 평가방법을 이하에 설명한다.An evaluation method of the water content of the electrolyte for fuel cell will be described below.

우선, 염기성 폴리머에 첨가되는 유기포스폰산 자체에 대해서, 열중량 측정(TG)을 행하고, 유기포스폰산의 분해 혹은 탈수에 의한 급격한 질량 감소가 일어나는 온도 T1을 파악한다. 온도 T1이 약 150℃ 이상이면, 함수율을 측정해야 하는 시료에 관해서, 100℃ 근처까지의 중량 감소는, 유기포스폰산과는 무관하게 시료에 포함되는 수분의 증발에 기인하는 것이 확인된다. 또, 상술한 각 유기 포스폰산에 대해서는, 160℃ 까지 급격한 질량 감소가 없는 것이 확인되어 있다.First, thermogravimetric measurement (TG) is performed on the organic phosphonic acid itself added to the basic polymer, and the temperature T1 at which the rapid mass reduction occurs due to decomposition or dehydration of the organic phosphonic acid is grasped. When the temperature T1 is about 150 ° C. or higher, it is confirmed that the weight loss up to about 100 ° C. is due to the evaporation of water contained in the sample regardless of the organic phosphonic acid with respect to the sample whose moisture content is to be measured. Moreover, about each organic phosphonic acid mentioned above, it is confirmed that there is no sudden mass loss to 160 degreeC.

다음에, 함수율 측정대상의 시료에 대해서 TG 측정을 실시한다. 도 1은 함수율 산출용의 TG 차트를 모식적으로 나타낸다. 도 1에 있어서, 온도가 100℃ 전후의 질량변화는, 유기 포스폰산과는 무관하게 시료에 포함되는 수분의 증발에 기인한다. 온도 T1 전후의 질량변화는, 유기포스폰산의 분해 혹은 탈수에 기인한다. 온도 T1 전후의 질량변화의 변곡점S1, S2에 대응하는 중량 W1, W2를 각각 측정한다. 함수율은 함수율=(W1-W2)/W1*100이 되는 계산식에 의해 구해진다.Next, TG measurement is performed on the sample to be measured for moisture content. 1 schematically shows a TG chart for calculating the moisture content. In FIG. 1, the mass change before and after the temperature of 100 degreeC is caused by evaporation of the water contained in a sample irrespective of organic phosphonic acid. The mass change before and after the temperature T1 is due to decomposition or dehydration of the organic phosphonic acid. The weights W1 and W2 corresponding to the inflection points S1 and S2 of the mass change before and after the temperature T1 are respectively measured. The moisture content is obtained by a calculation formula such that the moisture content = (W1-W2) / W1 * 100.

또, 변곡점 S1, S2에 각각 대응하는 온도는 미분열 중량법(DTG)으로부터 구하는 것이 매우 적합하다. DTG에서는, 변곡점 S1, S2의 위치가 피크로서 나타나므로, DTG의 피크 위치로부터 변곡점 S1, S2의 중량을 정할 수 있다.Moreover, it is very suitable to calculate | require the temperature corresponding to inflection point S1, S2 from undivided gravimetric method (DTG). In the DTG, since the positions of the inflection points S1 and S2 appear as peaks, the weights of the inflection points S1 and S2 can be determined from the peak positions of the DTG.

(신축율 평가방법)(Expansion rate evaluation method)

연료전지용 전해질의 신축율 S의 산출방법을 이하에 설명한다. 신축율 S는 S=(Y-X)/X*100(%)이 되는 계산식에 의해 구해진다. 여기서, X는 유기포스폰산을 염기성 폴리머에 첨가하기 전의 연료전지용 전해질의 소정의 근처의 길이를 나타내고, Y는 유기 포스폰산을 염기성 폴리머에 첨가한 후, 임의의 시점에서의 연료전지용 전해질의 소정의 근처의 길이를 나타낸다.The calculation method of the expansion ratio S of the electrolyte for fuel cells will be described below. The expansion ratio S is obtained by a calculation equation in which S = (Y-X) / X * 100 (%). Here, X represents a predetermined length of the fuel cell electrolyte before adding the organic phosphonic acid to the basic polymer, and Y represents the predetermined amount of the electrolyte for the fuel cell at any time after adding the organic phosphonic acid to the basic polymer. Indicate the length of the neighborhood.

(제 2 실시형태)(2nd embodiment)

본 실시형태의 막전극 접합체는, 상술한 연료전지용 전해질의 한쪽 면에 애노드를 접합하고, 연료전지용 전해질의 다른 쪽 면에 캐소드를 접합함으로써 얻어진다.The membrane electrode assembly of the present embodiment is obtained by bonding an anode to one side of the fuel cell electrolyte described above and a cathode to the other side of the fuel cell electrolyte.

본 실시형태의 막전극 접합체는, 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽이 상기 화학식 1로 표시되는 유기포스폰산을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 실시형태의 막전극 접합체에서는, 프로톤 전도도가 종래의 연료전지용 전해질과 동등한 레벨이면서, 치수변화나 주름의 발생 등이 억제된 연료전지용 전해질을 이용하고 있으므로, 막전극 접합체를 제조하기 위해, 드라이 룸 등의 특별한 설비를 필요로 하지 않기 때문에, 제조비용이 저감된다. 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽에 유기 포스폰산을 첨가함으로써, 전극과 연료전지용 전해질의 계면저항이 저감하고, 가스 확산성이 향상된다.The membrane electrode assembly of the present embodiment is characterized in that at least one of the anode and the cathode contains an organic phosphonic acid represented by the formula (1). In the membrane electrode assembly of the present embodiment, since the proton conductivity is at the same level as the conventional fuel cell electrolyte, and the fuel cell electrolyte is suppressed in which the dimensional change, wrinkles, etc. are suppressed, in order to manufacture the membrane electrode assembly, a dry room Since no special equipment such as the above is required, manufacturing cost is reduced. By adding organic phosphonic acid to at least one of the anode and the cathode, the interfacial resistance between the electrode and the fuel cell electrolyte is reduced, and the gas diffusivity is improved.

인산 화합물이 첨가된 애노드 또는 캐소드는, 애노드 또는 캐소드에 인산 화합물을 코팅한 후, 80℃, 120분간 건조시킴으로써 얻어진다. 또, 건조온도 및 건조시간은 적절히 변경 가능하다.The anode or the cathode to which the phosphoric acid compound is added is obtained by coating the phosphoric acid compound on the anode or the cathode, followed by drying at 80 ° C. for 120 minutes. The drying temperature and drying time can be appropriately changed.

애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽에 포함되는 유기포스폰산은, 에틸포스폰산, 메틸포스폰산 및 옥틸포스폰산으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.The organic phosphonic acid contained in at least one of the anode and the cathode is preferably one or more selected from the group consisting of ethyl phosphonic acid, methyl phosphonic acid and octyl phosphonic acid.

본 실시형태에 관한 막전극 접합체에 있어서는, 연료전지용 전해질에 포함되는 유기포스폰산의 함량, 상기 애노드에 포함되는 유기포스폰산의 함량 및 상기 캐 소드에 포함되는 유기포스폰산의 함량의 합계가 상기 염기성 폴리머의 100-800몰%인 것이 바람직하다.In the membrane electrode assembly according to the present embodiment, the sum of the content of the organic phosphonic acid contained in the fuel cell electrolyte, the organic phosphonic acid contained in the anode, and the content of the organic phosphonic acid contained in the cathode is basic. It is preferred that it is 100-800 mol% of the polymer.

유기포스폰산의 합계가 상기 염기성 폴리머의 100-800몰%의 범위에 있어서, 발전조건에 충분한 프로톤 전도도가 얻어지기 때문에, 유기포스폰산의 필요량이 적게 해결된다. 이 때문에, 막전극 접합체의 제조비용을 저하시킬 수 있다.Since the total amount of organic phosphonic acid is in the range of 100-800 mol% of the basic polymer, sufficient proton conductivity for power generation conditions is obtained, so that the required amount of organic phosphonic acid is solved. For this reason, the manufacturing cost of a membrane electrode assembly can be reduced.

애노드 및 캐소드의 양쪽에 유기포스폰산이 첨가되는 경우에는, 애노드에 첨가되는 유기포스폰산의 함량이 캐소드에 첨가되는 유기포스폰산의 함량보다 많은 쪽이 바람직하다.When organic phosphonic acid is added to both the anode and the cathode, it is preferable that the content of the organic phosphonic acid added to the anode is higher than the content of the organic phosphonic acid added to the cathode.

이에 의해, 전극과 연료전지용 전해질의 계면저항을 보다 저감할 수 있고, 가스 확산성을 더 개선할 수 있다.As a result, the interface resistance between the electrode and the fuel cell electrolyte can be further reduced, and the gas diffusivity can be further improved.

(제 3 실시형태)(Third embodiment)

본 실시형태의 막전극 접합체는, 상술한 연료전지용 전해질의 한쪽 면에 애노드를 접합하고, 연료전지용 전해질의 다른 쪽 면에 캐소드를 접합함으로써 얻어진다.The membrane electrode assembly of the present embodiment is obtained by bonding an anode to one side of the fuel cell electrolyte described above and a cathode to the other side of the fuel cell electrolyte.

본 실시형태의 막전극 접합체는, 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽이 하기의 화학식 2로 표시되는 인산 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다. The membrane electrode assembly of the present embodiment is characterized in that at least one of the anode and the cathode contains a phosphate compound represented by the following formula (2).

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112005032606242-pat00005
Figure 112005032606242-pat00005

식 중, R은 C1-C20 알킬기 또는 C1-C20 알콕시알킬기를 나타내고, n은 1 또 는 2이다.In the formula, R represents a C1-C20 alkyl group or a C1-C20 alkoxyalkyl group, n is 1 or 2.

본 실시형태의 막전극 접합체로는, 프로톤 전도도가 종래의 연료전지용 전해질과 동등한 레벨이면서, 치수 변화나 주름의 발생 등이 억제된 연료전지용 전해질을 이용하고 있으므로, 막전극 접합체를 제조하기 위해, 드라이 룸 등의 특별한 설비를 필요로 하지 않기 때문에, 제조비용이 절감된다. 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽에 인산 화합물을 첨가함으로써, 전극과 연료전지용 전해질의 계면 저항이 저감하고, 가스 확산성이 향상한다.As the membrane electrode assembly of the present embodiment, a fuel cell electrolyte having a proton conductivity equivalent to that of a conventional fuel cell electrolyte and suppressing dimensional change, wrinkles, and the like is used. Since no special equipment such as a room is required, manufacturing costs are reduced. By adding a phosphoric acid compound to at least one of the anode and the cathode, the interface resistance between the electrode and the fuel cell electrolyte is reduced, and the gas diffusivity is improved.

인산 화합물이 첨가된 애노드 또는 캐소드는, 애노드 또는 캐소드에 인산 화합물을 코팅한 후, 80℃, 120분간 건조시킴으로써 얻어진다. 또, 건조온도 및 건조시간은 적절히 변경 가능하다.The anode or the cathode to which the phosphoric acid compound is added is obtained by coating the phosphoric acid compound on the anode or the cathode, followed by drying at 80 ° C. for 120 minutes. The drying temperature and drying time can be appropriately changed.

애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽에 포함되는 인산 화합물은, 에틸산포스페이트, 메틸산포스페이트, 부틸산포스페이트, 올레인산포스페이트, 디부틸포스페이트로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.The phosphoric acid compound contained in at least one of the anode and the cathode is preferably at least one selected from the group consisting of ethyl phosphate, methyl phosphate, butyl phosphate, oleate phosphate and dibutyl phosphate.

그 밖에, 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽에 포함되는 인산 화합물은, 모노에틸 포스페이트, 모노메틸 포스페이트, 모노 n-부틸 포스페이트, 모노 n-옥틸 포스페이트로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.In addition, the phosphoric acid compound contained in at least one of the anode and the cathode is preferably at least one selected from the group consisting of monoethyl phosphate, monomethyl phosphate, mono n-butyl phosphate and mono n-octyl phosphate.

또, 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽에 포함되는 인산 화합물은, 부톡시에틸산포스페이트인 것이 바람직하다.Moreover, it is preferable that the phosphoric acid compound contained in at least one of an anode and a cathode is butoxy ethyl phosphate.

본 실시형태에 관한 막전극 접합체에 있어서는, 연료전지용 전해질에 포함되는 인산 화합물의 함량, 상기 애노드에 포함되는 인산 화합물의 함량 및 상기 캐소 드에 포함되는 인산 화합물의 함량의 합계가, 상기 염기성 폴리머의 5-800몰%인 것이 바람직하다.In the membrane electrode assembly according to the present embodiment, the sum of the content of the phosphoric acid compound contained in the electrolyte for fuel cells, the content of the phosphoric acid compound contained in the anode, and the content of the phosphoric acid compound contained in the cathode is determined by the basic polymer. It is preferable that it is 5-800 mol%.

(실시예 1)(Example 1)

이하, 본 발명의 전형적인 연료전지용 전해질로서, 염기성 폴리머로서 폴리벤즈이미다졸(PBI)을 사용하고, 유기포스폰산으로서 에틸포스폰산을 사용한 경우의 제조방법에 대해서 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method in the case of using polybenzimidazole (PBI) as a basic polymer and ethyl phosphonic acid as organic phosphonic acid as a typical fuel cell electrolyte of this invention is demonstrated.

우선, LiCl(2%)를 함유하는 디메틸아세토아미드 중에 PBI(20%)를 용해한다. PBI용액을 유리판상에 캐스팅하고, PBI막을 형성한다.First, PBI (20%) is dissolved in dimethylacetoamide containing LiCl (2%). The PBI solution is cast on a glass plate to form a PBI film.

다음에, 비이커 중에서, 40% 에틸포스폰산 용액(용매:물)에 PBI막 0.13g(0.00042몰)을 실온에서 2시간 침적했다. 에틸포스폰산 용액은, 탕욕에서 60℃로 유지했다. Next, 0.13 g (0.00042 mol) of PBI films were immersed in a 40% ethylphosphonic acid solution (solvent: water) at room temperature for 2 hours. The ethylphosphonic acid solution was kept at 60 degreeC in the hot water bath.

그 후, PBI막을 추출하고, 프로텍스(상품명: ProTEX)로 부착되어 있는 여분의 용매를 씻어냄으로써 제거하여, 연료전지용 전해질로 했다. 침적 후의 중량은 0.22g이었다. Thereafter, the PBI membrane was extracted, and the excess solvent adhering with Protex (trade name: ProTEX) was removed by washing away to obtain an electrolyte for a fuel cell. The weight after immersion was 0.22 g.

후술하는 바와 같이, 본 실시예의 연료전지용 전해질은, 함수율이 거의 0이기 때문에, 첨가된 에틸포스폰산의 질량은 근사적으로 0.09g(0.00081몰)가 된다. 이 결과로부터, 에틸포스폰산의 도핑율은 PBI를 기준으로서 192몰%이었다.As will be described later, since the electrolyte for the fuel cell of this embodiment has a water content of almost zero, the mass of added ethylphosphonic acid is approximately 0.09 g (0.00081 mol). From this result, the doping rate of ethylphosphonic acid was 192 mol% based on PBI.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

실시예 1과의 비교를 위해서, 인산을 PBI에 첨가하여 얻어지는 연료전지용 전해질을 제조하였다.For comparison with Example 1, an electrolyte for fuel cells obtained by adding phosphoric acid to PBI was prepared.

실시예 1과 같이, PBI막을 형성한 후, 비이커 중에서 85% 인산 용액에 PBI막 0.15g(0.00049몰)을 실온에서 24시간 침적했다. As in Example 1, after forming the PBI film, 0.15 g (0.00049 mol) of the PBI film was deposited in a 85% phosphoric acid solution in a beaker at room temperature for 24 hours.

그 후, PBI막을 추출하고, 프로텍스(상품명: ProTEX)로 부착되어 있는 여분의 용매를 씻어냄으로써 제거하여 연료전지용 전해질을 제조하였다. 침적 후의 질량은 0.58g이었다. 이러한 결과로부터, 인산의 도핑율은 PBI를 기준으로서 900몰%이었다.Thereafter, the PBI film was extracted and removed by washing off the excess solvent adhered with Protex (trade name: ProTEX) to prepare an electrolyte for a fuel cell. The mass after deposition was 0.58 g. From these results, the doping rate of phosphoric acid was 900 mol% based on PBI.

(함수율의 평가결과)(Evaluation result of water content)

도 2는, 산첨가 후, 22℃, 62% RH에서 보존된 실시예 1 및 비교예 1에 대해서, 상술한 함수율 평가방법에 의해 측정된 함수율의 시간 변화를 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the time change of the moisture content measured by the above-described moisture content evaluation method for Example 1 and Comparative Example 1 stored at 22 ° C. and 62% RH after acid addition.

비교예 1의 연료전지용 전해질은, 인산의 흡습성 때문에, 함수율이 시간경과와 함께 증가하는 것을 알 수 있다. 비교예 1에서는, 인산 첨가 9시간의 함수율이 25%에 도달했다. 또한, 비교예 1에서는, 대기중의 수분이 연료전지용 전해질에 흡수된 결과, 연료전지용 전해질의 체적이 팽창됨과 동시에, 연료전지용 전해질 밖으로 인산이 누액되는 현상이 확인되었다. 이 때문에, 비교예 1의 연료전지용 전해질은, 시간이 경과됨에 따라 인산과 PBI의 총중량이 감소된다.In the fuel cell electrolyte of Comparative Example 1, it is understood that the moisture content increases with time due to the hygroscopicity of phosphoric acid. In the comparative example 1, the water content of 9 hours of phosphoric acid addition reached 25%. In Comparative Example 1, as a result of absorption of moisture in the atmosphere into the fuel cell electrolyte, a phenomenon in which the volume of the fuel cell electrolyte expanded and phosphoric acid leaked out of the fuel cell electrolyte was confirmed. For this reason, in the fuel cell electrolyte of Comparative Example 1, the total weight of phosphoric acid and PBI decreases with time.

반면, 실시예 1의 연료전지용 전해질에서는, 대기 중에 방치하여도 거의 중량변화가 없고, 상술한 과제가 해소되는 것이 확인되었다.On the other hand, in the electrolyte for fuel cells of Example 1, even when left in the air, there was almost no weight change, and it was confirmed that the above-mentioned problem was solved.

(신축율의 평가결과)(Evaluation result of expansion rate)

표 1은, 실시예 1 및 비교예 1의 연료전지용 전해질에 각각 모노에틸산포스 페이트, 인산을 첨가하기 전과 후의 신축율을 나타낸다. 산첨가 후의 조건에 대하여 살펴보면, 22℃, 62% RH, 9시간 방치한다. 비교예 1의 경우, 신축율이 25%로 크고, 주름이 발생하기 쉬우며, 막전극 접합체나 스택을 조립하기 위해서, 드라이 룸을 사용하는 등 특별한 대응이 필요한 것을 알고 있다. Table 1 shows the stretching ratios before and after adding monoethyl phosphate and phosphoric acid to the fuel cell electrolytes of Example 1 and Comparative Example 1, respectively. Looking at the conditions after acid addition, 22 ℃, 62% RH, left for 9 hours. In the case of the comparative example 1, it is known that a stretch ratio is 25%, it is easy to produce wrinkles, and special correspondence is required, such as using a dry room, in order to assemble a membrane electrode assembly or a stack.

한편, 실시예 1에서는, 신축율이 6%로 억제되어 있고, 치수변화, 주름의 발생이 확인되지 않았다.On the other hand, in Example 1, the stretching ratio was suppressed to 6%, and no dimensional change or occurrence of wrinkles was observed.

[표 1]TABLE 1

신축율 (%)Elongation rate (%) 실시예 1Example 1 2525 비교예 1Comparative Example 1 66

(실시예 2)(Example 2)

실시예 1에서 얻어진 연료전지용 전해질의 한쪽 면에 애노드를 접합하고, 다른 쪽 면에 캐소드를 접합함으로써 막전극 접합체를 작성했다. 애노드, 캐소드에는 E-TEK사제, HT140E-W를 사용했다. 전해질막과 전극의 계면저항을 감소시키기 위해, 애노드 및 캐소드의 표면에 에틸포스폰산을 첨가했다. PBI, 애노드 및 캐소드에 첨가된 에틸포스폰산의 함량은, PBI를 기준으로서 200몰%이다.A membrane electrode assembly was prepared by bonding an anode to one side of the fuel cell electrolyte obtained in Example 1 and a cathode to the other side. As the anode and the cathode, HT140E-W manufactured by E-TEK Corporation was used. To reduce the interfacial resistance between the electrolyte membrane and the electrode, ethylphosphonic acid was added to the surface of the anode and the cathode. The content of ethylphosphonic acid added to PBI, anode and cathode is 200 mol% based on PBI.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

실시예 1에서 얻어진 연료전지용 전해질의 한쪽 면에 애노드를 접합하고, 다른 쪽 면에 캐소드를 접합함으로써 막전극 접합체를 작성했다. 애노드, 캐소드에는 E-TEK사제, HT140E-W를 사용했다. 전해질막과 전극의 계면저항을 감소시키기 위해, 애노드 및 캐소드의 표면에 105wt% 인산을 첨가했다. 애노드 및 캐소드에 첨가된 인산의 첨가량은, PBI를 기준으로서 800몰%이다.A membrane electrode assembly was prepared by bonding an anode to one side of the fuel cell electrolyte obtained in Example 1 and a cathode to the other side. As the anode and the cathode, HT140E-W manufactured by E-TEK Corporation was used. In order to reduce the interfacial resistance between the electrolyte membrane and the electrode, 105 wt% phosphoric acid was added to the surface of the anode and the cathode. The amount of phosphoric acid added to the anode and the cathode is 800 mol% based on PBI.

(프로톤 전도도의 측정결과)(Measurement result of proton conductivity)

실시예 2 및 비교예 2에서 얻어진 연료전지용 전해질을 각각 연료전지 셀에 내장하여 프로톤 전도도를 측정했다. 프로톤 전도도 측정시의 연료전지 셀의 온도는 150℃, 수소의 유량, 공기의 유량은, 각각 100(NCCM), 200(NCCM)이다. 또한, 연료전지용 전극면적은 7.8cm2이다.The fuel cell electrolytes obtained in Example 2 and Comparative Example 2 were each embedded in a fuel cell to measure proton conductivity. The temperature of the fuel cell at the time of proton conductivity measurement was 150 ° C, the flow rate of hydrogen, and the flow rate of air were 100 (NCCM) and 200 (NCCM), respectively. The electrode area for the fuel cell is 7.8 cm 2 .

이 결과, 비교예 2의 프로톤 전도도가 7×10-2S/cm인 것에 비해, 실시예 2의 프로톤 전도도는 6×10-2S/cm이고, 실시예 2의 프로톤 전도도가 비교예 2와 동등한 레벨에 있는 것이 확인되었다.As a result, the proton conductivity of Comparative Example 2 was 7 × 10 −2 S / cm, whereas the proton conductivity of Example 2 was 6 × 10 −2 S / cm, and the proton conductivity of Example 2 was compared with that of Comparative Example 2. It was confirmed that it was at the same level.

(개회로 전압, 셀 저항의 경시변화)(Time change of open circuit voltage and cell resistance)

도 3은, 150℃, 무가습의 조건하에서, 실시예 2의 연료전지용 전해질에 대해서 개방 회로 전압, 셀 저항의 경시변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 실시예 2의 연료전지용 전해질에서는, 2000 시간 이상에 걸쳐, 개회로 전압의 저하, 셀 저항의 상승이 생기지 않는다는 양호한 결과가 확인되었다.Fig. 3 is a graph showing the results of measurement of changes in open circuit voltage and cell resistance over time in the fuel cell electrolyte of Example 2 under a condition of 150 ° C and no humidification. In the electrolyte for fuel cells of Example 2, good results have been confirmed that a drop in the open circuit voltage and a rise in cell resistance do not occur over 2000 hours.

(전류-전압 특성의 측정결과)(Measurement Result of Current-Voltage Characteristics)

실시예 2 및 비교예 2에서 얻어진 연료전지용 전해질을 각각 연료전지 셀에 내장하고, 전류-전압 특성을 측정했다. 전류-전압 특성 측정시의 연료 전지 셀의 온도는 150℃, 수소의 유량, 공기의 유량은, 각각 100(NCCM), 200(NCCM)이다. 또 한, 연료전지용 전극면적은 7.8cm2이다.The fuel cell electrolytes obtained in Example 2 and Comparative Example 2 were each embedded in a fuel cell, and current-voltage characteristics were measured. The temperature of the fuel cell at the time of current-voltage characteristic measurement is 150 degreeC, the flow volume of hydrogen, and the flow volume of air are 100 (NCCM) and 200 (NCCM), respectively. In addition, the electrode area for the fuel cell is 7.8 cm 2 .

도 4는 실시예 2 및 비교예 2의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다. 0.3(V)이상의 셀 전압을 발생 가능한 부하가, 비교예 2에서는 0.8A/cm2인 것에 비해, 실시예 2에서는 1.0A/cm2까지 증진하고, 실시예 2에서는 가스 확산성이 개선되어 있는 것을 알 수 있다.4 is a graph showing the current-voltage characteristics of Example 2 and Comparative Example 2. FIG. 0.3 (V) is more than the load that can be generated by the cell voltage, compared to Example 2, 0.8A / cm 2, compared to the, second embodiment and promote to 1.0A / cm 2, Example 2 in which the gas diffusibility is improved It can be seen that.

이는, 인산은 완전한 액체이기 때문에, 이동도가 크고, 젖음의 진행에 의해, 촉매, 반응가스, 전해액으로 형성되는 3상계면의 유지가 곤란한 데 반해, 에틸포스폰산은 이동도가 작고, 3상계면이 유지되기 쉽기 때문이다.This is because phosphoric acid is a complete liquid, and mobility is high, and it is difficult to maintain a three-phase interface formed of a catalyst, a reaction gas, and an electrolyte by wetting, whereas ethylphosphonic acid has a small mobility and a three-phase system. This is because the cotton is easy to maintain.

본 발명에 의하면, 염기성 폴리머막을 이용한 연료전지용 전해질에 관해, 산 첨가 전후의 치수변화가 억제되고, 주름 등의 발생이 감소한다. 이러한 전해질은 무가습 상태에서 동작 가능한 연료전지에 사용가능하다.According to the present invention, with respect to the fuel cell electrolyte using the basic polymer membrane, the dimensional change before and after the acid addition is suppressed, and the occurrence of wrinkles and the like is reduced. Such electrolytes can be used in fuel cells that can operate in a humidified state.

Claims (15)

염기성 폴리머와 하기 화학식 1로 표시되는 유기 포스폰산을 포함하고, It includes a basic polymer and an organic phosphonic acid represented by the formula (1), 상기 유기포스폰산이 에틸포스폰산, 메틸포스폰산, 옥틸포스폰산으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전해질.The organic phosphonic acid is at least one selected from the group consisting of ethyl phosphonic acid, methyl phosphonic acid, octyl phosphonic acid electrolyte for fuel cell. [화학식 1][Formula 1]
Figure 112006088474786-pat00006
Figure 112006088474786-pat00006
식 중, R은 C1-C20 알킬기, C6-C20 아릴기, C1-C20 아실기, 아미노기, 포스폰기 또는 이들 관능기의 유도체를 나타내고, n은 1 또는 2이다.In the formula, R represents a C1-C20 alkyl group, a C6-C20 aryl group, a C1-C20 acyl group, an amino group, a phosphone group or a derivative of these functional groups, and n is 1 or 2.
제1항에 있어서, 상기 염기성 폴리머가 폴리벤즈이미다졸류, 폴리(피리딘류), 폴리(피리미딘류), 폴리이미다졸류, 폴리벤조티아졸류, 폴리벤조옥사졸류, 폴리옥사디아졸류, 폴리퀴놀린류, 폴리퀴녹살린류, 폴리티아디아졸류, 폴리(테트라디피렌) (poly(tetra-di-pyrene)), 폴리옥사졸류, 폴리티아졸류, 폴리비닐피리딘류 및 폴리비닐이미다졸류로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전해질.The basic polymer according to claim 1, wherein the basic polymer is polybenzimidazole, poly (pyridine), poly (pyrimidine), polyimidazole, polybenzothiazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, poly Consisting of quinolines, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly (tetra-di-pyrene), polyoxazoles, polythiazoles, polyvinylpyridines and polyvinylimidazoles The fuel cell electrolyte, characterized in that at least one selected from the group. 제1항에 있어서, 상기 염기성 폴리머가 폴리-2,5-벤즈이미다졸을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전해질.The fuel cell electrolyte of claim 1, wherein the basic polymer comprises poly-2,5-benzimidazole. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 전해질의 함수율이 20% 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전해질.The fuel cell electrolyte of claim 1, wherein a water content of the electrolyte is 20% or less. 제1항에 있어서, 상기 전해질의 신축율이 20% 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전해질.The fuel cell electrolyte of claim 1, wherein the electrolyte has a stretch ratio of 20% or less. 제1항, 제2항, 제3항, 제5항 또는 제6항의 연료전지용 전해질과, 상기 연료전지용 전해질의 한쪽 면에 접합된 애노드와, 상기 연료전지용 전해질의 다른 쪽 면에 접합된 캐소드를 구비하고,The fuel cell electrolyte of claim 1, 2, 3, 5, or 6, an anode bonded to one side of the fuel cell electrolyte, and a cathode bonded to the other side of the fuel cell electrolyte Equipped, 상기 애노드, 캐소드 또는 애노드와 캐소드 양쪽이, The anode, the cathode or both the anode and the cathode, 하기 화학식 1로 표시되는 유기포스폰산을 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.Membrane electrode assembly comprising an organic phosphonic acid represented by the formula (1). [화학식 1][Formula 1]
Figure 112006088474786-pat00007
Figure 112006088474786-pat00007
식 중, R은 C1-C20 알킬기, C6-C20 아릴기, C1-C20 아실기, 아미노기, 포스폰기 또는 이들 관능기의 유도체를 나타내고, n은 1 또는 2이다.In the formula, R represents a C1-C20 alkyl group, a C6-C20 aryl group, a C1-C20 acyl group, an amino group, a phosphone group or a derivative of these functional groups, and n is 1 or 2.
제7항에 있어서, 상기 애노드, 캐소드 또는 애노드와 캐소드 양쪽이, The method of claim 7, wherein the anode, the cathode or both the anode and cathode, 에틸포스폰산, 메틸포스폰산, 옥틸포스폰산으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 유기포스폰산을 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.Membrane electrode assembly comprising at least one organic phosphonic acid selected from the group consisting of ethyl phosphonic acid, methyl phosphonic acid, octyl phosphonic acid. 제7항에 있어서, 상기 연료전지용 전해질에 포함되는 유기포스폰산의 함량, 상기 애노드에 포함되는 유기포스폰산의 함량 및 상기 캐소드에 포함되는 유기포스폰산의 함량의 합계가, 상기 염기성 폴리머의 100-800몰% 범위인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.The sum of the content of the organic phosphonic acid contained in the fuel cell electrolyte, the content of the organic phosphonic acid contained in the anode and the content of the organic phosphonic acid contained in the cathode is 100- of the basic polymer. Membrane electrode assembly, characterized in that in the range of 800 mol%. 제1항, 제2항, 제3항, 제5항 또는 제6항의 연료전지용 전해질과, 상기 연료전지용 전해질의 한쪽 면에 접합된 애노드와, 상기 연료전지용 전해질의 다른 쪽 면에 접합된 캐소드를 구비하고, The fuel cell electrolyte of claim 1, 2, 3, 5, or 6, an anode bonded to one side of the fuel cell electrolyte, and a cathode bonded to the other side of the fuel cell electrolyte Equipped, 상기 애노드, 캐소드 또는 애노드와 캐소드 양쪽이, 하기 화학식 2로 표시되는 가수분해성 인산 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.A membrane electrode assembly, characterized in that the anode, the cathode or both the anode and the cathode comprises a hydrolyzable phosphoric acid compound represented by the following formula (2). [화학식 2][Formula 2]
Figure 112006088474786-pat00008
Figure 112006088474786-pat00008
식 중, R은 C1-C20 알킬기 또는 C1-C20 알콕시알킬기를 나타내고, n은 1 또는 2이다.In the formula, R represents a C1-C20 alkyl group or a C1-C20 alkoxyalkyl group, n is 1 or 2.
제10항에 있어서, 상기 애노드, 캐소드 또는 애노드와 캐소드 양쪽이, The method of claim 10, wherein the anode, the cathode or both the anode and the cathode, 에틸산포스페이트, 메틸산포스페이트, 부틸산포스페이트, 오레일산포스페이트, 디부틸포스페이트로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 인산 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.A membrane electrode assembly comprising one or more phosphoric acid compounds selected from the group consisting of ethyl phosphate, methyl phosphate, butyl phosphate, oleic acid phosphate, and dibutyl phosphate. 제7항에 있어서, 상기 애노드, 캐소드 또는 애노드와 캐소드 양쪽이, The method of claim 7, wherein the anode, the cathode or both the anode and cathode, 모노에틸포스페이트, 모노메틸포스페이트, 모노n-부틸포스페이트, 모노n-옥틸포스페이트로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 인산 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.A membrane electrode assembly comprising one or more phosphoric acid compounds selected from the group consisting of monoethyl phosphate, monomethyl phosphate, mono n-butyl phosphate and mono n-octyl phosphate. 제10항에 있어서, 상기 연료전지용 전해질에 포함되는 유기포스폰산의 함량, 상기 애노드에 포함되는 인산 화합물의 함량 및 상기 캐소드에 포함되는 인산 화합물의 함량의 합계가, The method of claim 10, wherein the sum of the content of the organic phosphonic acid contained in the fuel cell electrolyte, the content of the phosphoric acid compound included in the anode and the content of the phosphoric acid compound contained in the cathode, 상기 염기성 폴리머의 5-800몰%인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.Membrane electrode assembly, characterized in that 5-800 mol% of the basic polymer. 염기성 폴리머를 성막하는 공정; 및 Forming a basic polymer; And 상기 염기성 폴리머를 하기 화학식 1로 표시되는 유기포스폰산이 용해된 수용액에 함침하는 공정을 포함하며, 상기 유기포스폰산이 에틸포스폰산, 메틸포스폰산, 옥틸포스폰산으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전해질의 제조방법.And impregnating the basic polymer in an aqueous solution in which organic phosphonic acid represented by Formula 1 is dissolved, wherein the organic phosphonic acid is at least one selected from the group consisting of ethyl phosphonic acid, methyl phosphonic acid and octyl phosphonic acid. A method for producing an electrolyte for a fuel cell. [화학식 1][Formula 1]
Figure 112006088474786-pat00009
Figure 112006088474786-pat00009
식 중, R은 C1-C20 알킬기, C6-C20 아릴기, C1-C20 아실기, 아미노기, 포스폰기 또는 이들 관능기의 유도체를 나타내고, n은 1 또는 2이다.In the formula, R represents a C1-C20 alkyl group, a C6-C20 aryl group, a C1-C20 acyl group, an amino group, a phosphone group or a derivative of these functional groups, and n is 1 or 2.
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