KR100778502B1 - Polymer membrane and membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 고분자 전해질 막은 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지, 수소 이온 비전도성 고분자 및 무기 첨가물을 포함한다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, a membrane-electrode assembly for a fuel cell and a fuel cell system including the same, wherein the polymer electrolyte membrane includes a hydrogen ion conductive cation exchange resin, a hydrogen ion nonconductive polymer, and an inorganic additive.

본 발명의 고분자 전해질 막은 그 두께는 얇으면서, 이온 전도성 및 기계적 물성이 우수하고, 탄화수소 연료에 대한 차단(barrier) 특성이 뛰어나다.The polymer electrolyte membrane of the present invention has a thin thickness, excellent ion conductivity and mechanical properties, and excellent barrier property against hydrocarbon fuel.

무기실리케이트,양이온교환수지,폴리비닐리덴플루오라이드,연료전지,메탄올 Inorganic silicate, cation exchange resin, polyvinylidene fluoride, fuel cell, methanol

Description

연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템{POLYMER MEMBRANE AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM}Polymer electrolyte membrane for fuel cell, membrane-electrode assembly and fuel cell system for fuel cell comprising same {POLYMER MEMBRANE AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 직접 산화 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 개략도.1 is a schematic diagram showing the structure of a direct oxidation fuel cell system of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 고분자 전해질 막 표면의 TEM 사진.Figure 2 is a TEM photograph of the surface of the polymer electrolyte membrane prepared according to Example 1 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 고분자 전해질 막 표면의 TEM 사진.Figure 3 is a TEM photograph of the surface of the polymer electrolyte membrane prepared according to Example 2 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 1, 실시예 3 내지 5 및 비교예 1의 고분자 전해질 막의 X-선 회절 피크 측정 그래프.4 is an X-ray diffraction peak measurement graph of the polymer electrolyte membrane of Examples 1, 3 to 5 and Comparative Example 1 of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예 1, 3, 4 및 5와, 비교예 1, 3 내지 6의 고분자 전해질 막의 메탄올 투과도를 측정하여 나타낸 그래프.5 is a graph showing the measurement of methanol permeability of the polymer electrolyte membranes of Examples 1, 3, 4, and 5 and Comparative Examples 1, 3 to 6 of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예 1, 비교예 2 및 참고예의 고분자 전해질 막의 수소 이온 전도도를 측정하여 나타낸 그래프.Figure 6 is a graph showing the measurement of the hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane of Example 1, Comparative Example 2 and Reference Example of the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄화수소 연료의 크로스오버를 방지할 수 있는 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, a membrane-electrode assembly for a fuel cell and a fuel cell system including the same. More specifically, a polymer electrolyte membrane for a fuel cell capable of preventing crossover of a hydrocarbon fuel, and a fuel comprising the same A membrane-electrode assembly for a battery and a fuel cell system.

[종래 기술][Prior art]

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.

이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

연료 전지 시스템의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.Representative examples of the fuel cell system include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as the fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점 을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a device.

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but it is easy to handle fuel and has a low operating temperature, so that it can be operated at room temperature, in particular, it does not require a fuel reformer.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate))로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.In such fuel cell systems, the stack that substantially generates electricity may comprise several to tens of unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (or bipolar plate). It has a laminated structure. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") with a polymer electrolyte membrane including a hydrogen ion conductive polymer therebetween. Has a structure in which

상기 고분자 전해질 막으로는 전도성, 기계적 물성 및 내화학성이 우수한 퍼플루오로설폰산 수지(상품명: Nafion)로 제조된 막은 폴리테트라플루오로에틸렌 주쇄에 의하여 산소의 용해도가 크고 전기화학적 안정성, 내구성이 탄화 수소 계열의 고분자 전해질 막보다 월등히 우수하다는 장점이 있어 주로 사용되고 있다. 상기 퍼플루오로설폰산 수지 막은 통상 50-175㎛의 두께로 시판되고 있으며, 상기 퍼플루오로설폰산 수지 막의 두께가 두꺼워질수록 치수 안정성 및 기계적 물성은 향상되나, 수지 막의 전도성(conductance)이 감소하고, 반대로 두께가 감소됨에 따라 수지 막의 저항은 낮아지나, 기계적 물성이 저하될 뿐만 아니라 전지 작동 중에 반응하지 않은 연료 기체 및 액체가 고분자 막을 통과하여 연료의 손실이 발생하고 전지 성능을 저하시키는 문제가 있다.As the polymer electrolyte membrane, a membrane made of a perfluorosulfonic acid resin (trade name: Nafion) having excellent conductivity, mechanical properties, and chemical resistance is carbonized by polytetrafluoroethylene main chain, having high oxygen solubility, electrochemical stability, and durability. It is mainly used because it has an advantage that it is superior to the hydrogen-based polymer electrolyte membrane. The perfluorosulfonic acid resin film is generally marketed to a thickness of 50-175㎛, the thicker the thickness of the perfluorosulfonic acid resin film is improved dimensional stability and mechanical properties, but the conductivity (conductance) of the resin film is reduced On the contrary, as the thickness decreases, the resistance of the resin membrane is lowered, but not only the mechanical properties are lowered, but also fuel gases and liquids that do not react during the operation of the cell pass through the polymer membrane, resulting in fuel loss and deterioration of the battery performance. have.

본 발명의 목적은 수소 이온 전도성 및 탄화수소 연료의 크로스오버를 방지할 수 있는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte membrane for a fuel cell capable of preventing hydrogen ion conductivity and crossover of hydrocarbon fuels.

본 발명의 다른 목적은 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system including the polymer electrolyte membrane.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지, 수소 이온 비전도성 고분자 및 무기 첨가물을 포함하는 고분자 전해질 막을 제공한다. 본 발명의 고분자 전해질 막은 또한 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지, 수소 이온 비전도성 고분자 및 무기 첨가물을 지지하며, 수소 이온 비전도성 지지 고분자를 포함하고, 다수개의 기공을 포함하는 다공성 지지체를 더욱 포함할 수 있다. 이때, 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지, 수소 이온 비전도성 고분자 및 무기 첨가물은 수소 이온을 전달하는 역할을 하므로 수소 이온 전달층이라고 명명하는 경우, 이 수소 이온 전달층은 상기 다공성 지지체의 기공 또는 표면에 위치할 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a polymer electrolyte membrane comprising a hydrogen ion conductive cation exchange resin, a hydrogen ion non-conductive polymer and an inorganic additive. The polymer electrolyte membrane of the present invention may further include a porous support including the hydrogen ion conductive cation exchange resin, the hydrogen ion nonconductive polymer and the inorganic additive, the hydrogen ion nonconductive support polymer, and the plurality of pores. have. In this case, since the hydrogen ion conductive cation exchange resin, the hydrogen ion non-conductive polymer and the inorganic additive play a role of transferring the hydrogen ions, the hydrogen ion transfer layer is called a hydrogen ion transfer layer, and the hydrogen ion transfer layer is formed on the pores or the surface of the porous support. Can be located.

본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극 및 상기 고분자 전해질 막를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also provides an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other and a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane.

본 발명은 또한 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 상기 전기 발생부는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하며, 상기 구성을 갖는 고분자 전해질 막을 포함하는 것인 적어도 하나의 막-전극 어셈블리를 포함하고, 세퍼레이터를 포함한다. 상기 연료 공급부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 하고, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.The invention also provides a fuel cell system comprising at least one electricity generator, a fuel supply and an oxidant supply. The electricity generating unit includes at least one membrane-electrode assembly including an anode electrode and a cathode electrode which are positioned to face each other, and a polymer electrolyte membrane having the above configuration and positioned between the anode electrode and the cathode electrode. It includes. The fuel supply unit serves to generate electricity through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generator.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되는 퍼플루오로설폰산 수지 막은 두께가 두꺼워질수록, 치수 안정성 및 기계적 물성은 향상되나, 수지 막의 전도성이 감소하고, 반대로 두께가 감소되면 수지 막의 저항은 낮아지나, 기계적 물성이 저하되고, 또한 전지 작동 중에 반응하지 않은 연료 기체 및 액체가 고분자 막을 통과하여 연료의 손실이 발생하고 전지 성능을 저하시키는 문제가 있다.As the thickness of the perfluorosulfonic acid resin membrane used as the polymer electrolyte membrane in the fuel cell increases, the dimensional stability and mechanical properties are improved, but the conductivity of the resin membrane decreases. The mechanical properties are lowered, and fuel gases and liquids that do not react during cell operation pass through the polymer membrane, causing loss of fuel and deteriorating cell performance.

특히, 메탄올, 에탄올 또는 프로판올과 같은 탄화수소 연료를 사용하는 경우에는 과량의 탄화수소 연료가 퍼플루오로설폰산의 친수성 도메인(domain)을 통하여 투과되어 캐소드에서 산화되므로 연료의 손실이 야기되며, 산소의 환원 자리를 감소시켜 전지 성능을 크게 저하시킨다.In particular, when using hydrocarbon fuels such as methanol, ethanol or propanol, excess hydrocarbon fuel is permeated through the hydrophilic domain of perfluorosulfonic acid and oxidized at the cathode, resulting in fuel loss and reduction of oxygen. By reducing the spot, battery performance is greatly reduced.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전도성은 없으나 탄화수소 연료의 분리능 은 우수한 탄화수소계 고분자를 퍼플루오로설폰산 수지와 혼합하여 완전한 상용성 고분자 블렌드를 제조하여, 수소 이온 전도성을 유지한 상태에서 탄화수소 연료 분리능을 향상시키려는 시도가 진행되어 왔다. 이러한 탄화수소계 고분자로는 퍼플루오로설포네이트 수지와 부분적인 상용성을 나타내며 내화학성이 우수한 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자가 주목을 받아왔으나, 고분자 혼합 용액 내에서 밀도차에 의한 상분리가 발생하여 전도도의 두께 방향 편차가 심한 단점이 있다.In order to solve this problem, a hydrocarbon fuel polymer having good conductivity but not having good conductivity is mixed with a perfluorosulfonic acid resin to prepare a completely compatible polymer blend, thereby maintaining hydrocarbon fuel resolution while maintaining hydrogen ion conductivity. Attempts have been made to improve. Polyvinylidene fluoride-based polymers, which have partial compatibility with perfluorosulfonate resins and have excellent chemical resistance, have been attracting attention as such hydrocarbon-based polymers. There is a drawback of severe deviation in the thickness direction.

본 발명은 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 연료 전지의 고분자 전해질 막에 관한 것이다. 특히, 기존에 고분자 전해질 막으로 사용되었던 퍼플루오로설폰산 수지의 경우 두께를 얇게 할 수 없었던 문제점을 해결하기 위하여 시도되었던, 퍼플루오로설폰산 수지와 폴리비닐리덴 플루오라이드의 복합체의 경우, 제조 과정에서 상분리가 발생하여 전도도의 두께 방향 편차가 심한 문제점을 해결하기 위한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane of a novel fuel cell that can solve this problem. Particularly, in the case of the composite of perfluorosulfonic acid resin and polyvinylidene fluoride, which has been attempted to solve the problem that the thickness of the perfluorosulfonic acid resin that has been previously used as a polymer electrolyte membrane cannot be reduced, Phase separation occurs in the process to solve the problem of severe deviation in the thickness direction of the conductivity.

본 발명의 고분자 전해질 막은 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지, 수소 이온 비전도성 고분자 및 무기 첨가물을 포함한다.The polymer electrolyte membrane of the present invention comprises a hydrogen ion conductive cation exchange resin, a hydrogen ion nonconductive polymer and an inorganic additive.

본 발명의 고분자 전해질 막은 또한 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지, 수소 이온 비전도성 고분자 및 무기 첨가물을 지지하며, 수소 이온 비전도성 지지 고분자를 포함하고, 다수개의 기공을 포함하는 다공성 지지체를 더욱 포함할 수 있다. 이때, 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지, 수소 이온 비전도성 고분자 및 무기 첨가물은 수소 이온을 전달하는 역할을 하므로 수소 이온 전달층이라고 명명하는 경우, 이 수소 이온 전달층은 상기 다공성 지지체의 기공 또는 표면에 위치할 수 있다.The polymer electrolyte membrane of the present invention may further include a porous support including the hydrogen ion conductive cation exchange resin, the hydrogen ion nonconductive polymer and the inorganic additive, the hydrogen ion nonconductive support polymer, and the plurality of pores. have. In this case, since the hydrogen ion conductive cation exchange resin, the hydrogen ion non-conductive polymer and the inorganic additive play a role of transferring the hydrogen ions, the hydrogen ion transfer layer is called a hydrogen ion transfer layer, and the hydrogen ion transfer layer is formed on the pores or the surface of the porous support. Can be located.

상기 수소 이온 비전도성 고분자는 박막 상태에서 전해질 막의 기계적 특성과 탄화수소 연료 분리 성능을 향상시키는 것으로서, 그 대표적인 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드 호모폴리머, 폴리비닐리덴 플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 코폴리머, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐알콜 또는 이들의 혼합물이 바람직하다. The hydrogen ion non-conductive polymer improves mechanical properties and hydrocarbon fuel separation performance of an electrolyte membrane in a thin film state, and examples thereof include polyvinylidene fluoride homopolymer, copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene, Preference is given to polyacrylonitrile, polymethylmethacrylate, polyvinyl alcohol or mixtures thereof.

또한, 상기 수소 이온 비전도성 지지 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리이미드(polyimide), 폴리벤즈옥사졸(polybenzoxazole) 및 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole)로 이루어진 군에서 선택되는 호모폴리머 1종 이상 또는 이들의 코폴리머 1종 이상을 사용할 수 있다.In addition, the hydrogen ion non-conductive support polymer may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, polyimide, polybenzoxa At least one homopolymer selected from the group consisting of polybenzoxazole and polybenzimidazole, or at least one copolymer thereof may be used.

이때, 본 발명의 고분자 전해질 막이 수소 이온 전달층을 포함하는 구조인 경우 다공성 지지체를 구성하는 상기 수소 이온 비전도성 지지 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 또는 폴리테트라플루오로에틸렌-폴리비닐리덴 플루오라이드의 코폴리머로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 불소계가 바람직하고, 폴리테트라플루오로에틸렌이 가장 바람직하다. 이는 일반적으로 사용되는 양이온 교환 수지가 플루오로계 수지이므로, 다공성 지지체와 양이온 교환 수지가 모두 동일하게 플루오로계이면, 결합력이 증대되어 바람직하다. 또한, 상기 다공성 지지체는 60% 이상의 기공도를 갖는 것이 바람직하며, 60 내지 90%의 기공도를 갖는 것이 더욱 바람직하다. 상기 다공성 지지체의 기공도가 60% 미만이면, 다공성 지지체의 표면에 위치하는 수소 이온 전달층의 함량이 상대적으로 작아지는 것이므로 전도성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.In this case, when the polymer electrolyte membrane of the present invention has a structure including a hydrogen ion transport layer, the hydrogen ion nonconductive supporting polymer constituting the porous support may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or polytetrafluoroethylene. 1 type of fluorine system selected from the group consisting of copolymers of polyvinylidene fluoride is preferred, and polytetrafluoroethylene is most preferred. This is preferable because the cation exchange resin generally used is a fluororesin, so that both the porous support and the cation exchange resin are equally fluoro-based, the bonding force is increased. In addition, the porous support preferably has a porosity of 60% or more, and more preferably 60-90% porosity. If the porosity of the porous support is less than 60%, since the content of the hydrogen ion transport layer positioned on the surface of the porous support is relatively small, the conductivity may be lowered, which is not preferable.

상기 무기 첨가물로는 상기 고분자 전해질 막 내에 나노 상으로 분산되어 있고, 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지와 상기 수소 이온 비전도성 고분자의 상분리를 억제하는 동시에, 탄화수소 연료 차단능(barrier property) 및 열적 안정성을 향상시키는 역할을 한다.The inorganic additives are dispersed in the polymer electrolyte membrane in the nano phase, and inhibit the phase separation of the hydrogen ion conductive cation exchange resin and the hydrogen ion nonconductive polymer, and at the same time improve the hydrocarbon fuel barrier property and thermal stability. To improve.

상기 무기 첨가물로는 무기 실리케이트가 바람직하다. 이 무기 실리케이트는 내부의 음전하량의 정도에 따라 피로필라이트-탈크(pyrophylite-talc), 몬모릴로나이트(montmorillonite:MMT), 사포나이트(saponite), 플루오르헥토라이트 (fluorohectorite), 카올리나이트(kaolinite), 버미큘리트(vermiculite), 라포나이트(laponite), 일라이트(illite), 마이카(mica), 브리틀 마이카(brittle mica), 테트라실린 마이카(tetrasilicic mica)로 분류될 수 있고, 이들은 본 발명에서 1종 또는 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. As the inorganic additive, an inorganic silicate is preferable. These inorganic silicates are pyrophylite-talc, montmorillonite (MMT), saponite, fluorohectorite, kaolinite, vermiculum, depending on the degree of internal negative charge. It may be classified as vermiculite, laponite, illite, mica, brittle mica, tetrasilicic mica, which may be classified as one or more of the present invention. It can mix and use 1 or more types.

상기 몬모릴로나이트는 알루미나 팔면체 시트에서 Al3+ 이온 대신에 Mg2+, Fe2+, Fe3+ 이온이, 실리케이트 사면체 시트에 Si4+ 이온 대신에 Al3+ 이온이 치환된 구조로서, 전체적으로 음전하량을 띠게 된다. 또한 전체적으로 전하의 평형을 맞추기 위하여 실리케이트층 사이에 교환 가능한 양이온과 물분자를 함유하고 있다.The montmorillonite has a structure in which Mg 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ ions are substituted for Al 3+ ions in the alumina octahedron sheet, and Al 3+ ions are substituted for Si 4+ ions in the silicate tetrahedron sheet, and the total amount of negative charge It becomes It also contains cations and water molecules that can be exchanged between the silicate layers to balance the charge as a whole.

상기 실리케이트는 단축과 장축의 비(종횡비, aspect ratio)가 1/50 내지 1/1000이 바람직하고, 1/100 내지 1/800이 더욱 바람직하고, 1/500 내지 1/800이 가장 바람직하다. 상기 실리케이트의 단축과 장축의 비가 1/50보다 커지는 경우, 박리된 실리케이트가 기체 및 액체의 확산 베리어로 작용하지 못하여 분리능이 현저하게 저하되어 바람직하지 않다. 또한 상기 실리케이트의 단축과 장축의 비가 1/1000보다 작으면, 양이온 교환 수지 사슬의 침투에 의해 박리되기 어려워, 결과적으로 제조되는 고분자 전해질 막내에 분산되기가 어려워 바람직하지 않다.The silicate preferably has a ratio (aspect ratio, aspect ratio) between short axis and long axis of 1/50 to 1/1000, more preferably 1/100 to 1/800, and most preferably 1/500 to 1/800. When the ratio between the short axis and the long axis of the silicate is greater than 1/50, the separated silicate does not act as a diffusion barrier of gas and liquid, so that the resolution is remarkably lowered, which is not preferable. In addition, when the ratio of the short axis and the long axis of the silicate is less than 1/1000, it is difficult to be peeled off due to the penetration of the cation exchange resin chain, which is difficult to disperse in the resulting polymer electrolyte membrane, which is not preferable.

상기 실리케이트는 유기화제로 처리하여 사용하는 것이 바람직하며, 이와 같이 유기화제로 처리하는 경우, 강력한 반데르발스(Van der Waals) 인력으로 인하여 고분자 수지에 박리 및 분산되기 어려운 판상 실리케이트 층 구조 사이에 저분량의 유기화제가 삽입되어, 고분자 수지 침투가 용이해져 박리, 분산이 용이해지므로 바람직하다. The silicate is preferably used after being treated with an organic agent, and when treated with such an organic agent, the silicate layer is difficult to be separated and dispersed in a polymer resin due to strong van der Waals attraction. It is preferable because an amount of the organizing agent is inserted to facilitate the penetration of the polymer resin and the peeling and dispersion are facilitated.

상기 유기화제로는 탄소수 1 내지 20의 알킬아민, 탄소수 1 내지 20의 알킬렌 디아민, 탄소수 1 내지 20의 4차 암모늄염 또는 아미노헥산을 사용할 수 있으며, 알킬아민의 구체적인 예를 들면 염산 메틸아민, 프로필 아민, 부틸 아민, 옥틸 아민, 데실 아민, 도데실 아민, 헥사데실 아민, 옥타데실 아민, N-메틸 옥타데실 아민 등이 있다. As the organic agent, an alkylamine having 1 to 20 carbon atoms, an alkylene diamine having 1 to 20 carbon atoms, a quaternary ammonium salt having 1 to 20 carbon atoms or aminohexane may be used. Specific examples of the alkylamine include methylamine hydrochloride and propyl amine. , Butyl amine, octyl amine, decyl amine, dodecyl amine, hexadecyl amine, octadecyl amine, N-methyl octadecyl amine, and the like.

상기 알킬렌 디아민의 예로써는 1,6-헥사메틸렌 디아민, 1,12-도데칸 디아민이 있으며, 4차 알킬 암모늄으로는 디메틸 4차 암모늄, 벤질 4차 암모늄, 2-에틸헥실 4차 암모늄, 비스-2-하이드록시에틸 4차 암모늄, 메틸 4차 암모늄이 있으며, 알킬 암모늄염으로는 염화 테트라메틸암모늄, 브롬화 옥타데실 트리메틸 암모늄, 브 롬화 도데실 트리메틸 암모늄, 브롬화 디옥타데실 디메틸 암모늄, 염화 비스(2-히드록시에틸) 메틸 옥타데실 암모늄, 염화 1-헥사데실피리듐 등을 사용할 수 있고, 아미노헥산으로는 6-아미노헥산, 12-아미노헥산 등을 사용할 수 있다. Examples of the alkylene diamine include 1,6-hexamethylene diamine and 1,12-dodecane diamine, and as quaternary alkyl ammonium, dimethyl quaternary ammonium, benzyl quaternary ammonium, 2-ethylhexyl quaternary ammonium, bis 2-hydroxyethyl quaternary ammonium, methyl quaternary ammonium; alkyl ammonium salts include tetramethylammonium chloride, octadecyl trimethyl ammonium bromide, dodecyl trimethyl ammonium bromide, dioctadecyl dimethyl ammonium bromide, bis (2) -Hydroxyethyl) methyl octadecyl ammonium chloride, 1-hexadecylpyridium chloride, etc. can be used, and 6-aminohexane, 12-aminohexane, etc. can be used as an aminohexane.

또한, 무기 실리케이트를 상기 유기화제로 처리하여 사용할 수도 있지만, 이미 상용화된 유기화 처리된 무기 실리케이트를 직접 사용할 수도 있다. 이처럼 유기화처리된 무기 실리케이트의 예로써는 Southern Clay Products, Inc.사의 상품명으로서Cloisite6A, Cloisite10A, Cloisite15A, Cloisite20A, Cloisite25A, Cloisite30B 등이 있으며 Cloisite10A를 사용하는 것이 바람직하다.In addition, although the inorganic silicate may be used by treating with the above-mentioned organic agent, an organically treated inorganic silicate which has already been commercialized may be used directly. Examples of such organically treated inorganic silicates include Cloisite6A, Cloisite10A, Cloisite15A, Cloisite20A, Cloisite25A, Cloisite30B and the like under the trade names of Southern Clay Products, Inc., and it is preferable to use Cloisite10A.

또한 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지는 제조된 복합막에 이온 전도성을 부여한다. 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 사용할 수 있다. 또한 상기 전도성 양이온 교환 수지는 이온 교환비가 3 내지 33이고, 당량 중량(equivalent weight: EW)이 700 내지 2,000인 것이 바람직하다. 상기 이온 교환 수지의 이온 교환비란, 고분자 주쇄(backbone)의 탄소 및 양이온 교환기의 수에 의하여 정의된다. In addition, the hydrogen ion conductive cation exchange resin imparts ion conductivity to the prepared composite membrane. The hydrogen ion conductive cation exchange resin may be a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups, and derivatives thereof in the side chain. In addition, the conductive cation exchange resin preferably has an ion exchange ratio of 3 to 33 and an equivalent weight (EW) of 700 to 2,000. The ion exchange ratio of the ion exchange resin is defined by the number of carbon and cation exchange groups in the polymer backbone.

상기 양이온 교환기를 갖는 이온 교환 수지의 대표적인 예로는 플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있 다. Representative examples of the ion exchange resin having a cation exchange group include fluoro-based polymers, benzimidazole-based polymers, polyimide-based polymers, polyetherimide-based polymers, polyphenylene sulfide-based polymers, polysulfone-based polymers, and polyether sulfone-based polymers. It may include at least one hydrogen ion conductive polymer selected from a polymer, a polyether ketone-based polymer, a polyether-ether ketone-based polymer or a polyphenylquinoxaline-based polymer.

상기 플루오로계 고분자의 예로는 하기 화학식 1의 폴리(퍼플루오로설포네이트)(상품명: Nafion(E.I. Dupont de Nemours사), Aciplex(Asahi Kasei Chemical), Flemion(Asahi Glass) 및 Fumion(fumatech) 등으로 판매됨), 하기 화학식 2의 플루오로카본 비닐 에테르 또는 하기 화학식 3의 플루오로화 비닐 에테르를 사용할 수 있다. 또는 미국 특허 제 4,330,654 호, 제 4,358,545 호, 제 4,417,969 호, 제 4,610,762 호, 제 4,433,082 호 및 제 5,094,995 호, 제 5,596,676 호 및 제4,940,525 호에 기재된 폴리머를 사용할 수 있다. Examples of the fluoro-based polymer include poly (perfluorosulfonate) of Formula 1 (trade name: Nafion (EI Dupont de Nemours), Aciplex (Asahi Kasei Chemical), Flemion (Asahi Glass) and Fumion (fumatech)). Sold), fluorocarbon vinyl ether of formula 2 or fluorinated vinyl ether of formula 3 can be used. Or the polymers described in US Pat. Nos. 4,330,654, 4,358,545, 4,417,969, 4,610,762, 4,433,082 and 5,094,995, 5,596,676 and 4,940,525.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112006046130947-pat00001
Figure 112006046130947-pat00001

(상기 화학식 1에서 X는 H, Li, Na, K, Cs, 테트라부틸암모니움 또는 NR1R2R3R4이고, R1, R2, R3 및 R4는 독립적으로 H, CH3 또는 C2H5이고, m은 1 이상, n은 2 이상, x는 약 5 내지 3.5, 그리고 y는 1,000 이상이다.)(In Formula 1, X is H, Li, Na, K, Cs, tetrabutylammonium or NR1R2R3R4, R1, R2, R3 and R4 are independently H, CH 3 or C 2 H 5 , and m is 1 or more. , n is at least 2, x is about 5 to 3.5, and y is at least 1,000.)

[화학식 2][Formula 2]

MSO2CFRfCF2O[CFYCF2O]nCF=CF2 MSO 2 CFRfCF 2 O [CFYCF 2 O] nCF = CF 2

(상기 화학식 2에서, Rf는 불소 또는 C1 내지 C10의 퍼플루오로알킬 라디칼 이고, Y는 불소 또는 트리플루오로메틸 라디칼이고, n은 1 내지 3의 정수이고, M은 불소, 하이드록실 라디칼, 아미노 라디칼 및 -OMe(Me는 알카리 금속 라디칼 및 4급 암모늄 라디칼(quaternary ammonium radicals))로 이루어진 군에서 선택되는 것임)(In Formula 2, Rf is fluorine or a C1 to C10 perfluoroalkyl radical, Y is a fluorine or trifluoromethyl radical, n is an integer from 1 to 3, M is a fluorine, hydroxyl radical, amino Radicals and -OMe (Me is selected from the group consisting of alkali metal radicals and quaternary ammonium radicals)

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112006046130947-pat00002
Figure 112006046130947-pat00002

(상기 화학식 3에서, k는 0 또는 1이고, l은 3 내지 5의 정수임)(In Formula 3, k is 0 or 1, l is an integer of 3 to 5)

상기 구조를 갖는 폴리(퍼플루오로설폰산)(상품명: Nafion)은 사슬 말단의 술폰산기가 수화될 경우 미셀 형태의 구조를 가지는데, 이는 수소 이온 이동을 위한 통로를 제공하고 전형적인 수용액 산과 같은 거동을 보인다. 본 발명에서 양이온 교환 수지로 상기 퍼플루오로설폰산(상품명: Nafion)을 사용할 경우, 측쇄 말단의 이온 교환기(-SO3X)에서, X를 수소, 나트륨, 칼륨, 세슘 등 일가 이온 및 테트라부틸암모니움(TBA)으로 치환할 수 있다. Poly (perfluorosulfonic acid) having the above structure (trade name: Nafion) has a micellar structure when the sulfonic acid group at the chain end is hydrated, which provides a passage for hydrogen ion migration and behaves like a typical aqueous solution acid. see. When the perfluorosulfonic acid (trade name: Nafion) is used as the cation exchange resin in the present invention, in the side chain terminal ion exchange group (-SO 3 X), X is a monovalent ion such as hydrogen, sodium, potassium, cesium, and tetrabutyl. It can be substituted with Ammonium (TBA).

또는 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자의 구체적인 예로는 폴리벤즈이미다졸, 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리설폰 유도체, 술폰화된 폴리(에테르 에테르 케톤)(sulfonated-poly(ether ether ketone: s-PEEK)), 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리포스파젠 등을 사용할 수 있다.Or a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, a polyether sulfone-based polymer, a polyether ketone-based polymer, a polyether-etherketone-based polymer, or Specific examples of the polyphenylquinoxaline-based polymer include polybenzimidazole, polyimide, polysulfone, polysulfone derivative, sulfonated poly (ether ether ketone: s-PEEK), poly Phenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphosphazene, etc. can be used.

또한, 에틸렌, 프로필렌, 플루오로에틸렌 폴리머, 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/ tetrafluoroethylene) 등에 폴리스티렌설폰산 고분자가 그래프트(graft)된 형태의 전해질을 사용할 수도 있다.In addition, ethylene, propylene, fluoroethylene polymer, ethylene / tetrafluoroethylene (ethylene / tetrafluoroethylene) or the like in the form of a polystyrene sulfonic acid polymer graft (grafted) may be used.

본 발명의 고분자 전해질 막에서, 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지 및 수소 이온 비전도성 고분자는 50 내지 90 : 50 내지 10 중량비로 존재하는 것이 바람직하고, 70 내지 80 : 30 내지 20 중량비로 존재하는 것이 더욱 바람직하다. 아울러, 무기 첨가물은 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지와 수소 이온 비전도성 고분자의 총량 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부로 존재하는 것이 바람직하며, 1 내지 5 중량부로 존재하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 수소 이온 비전도성 고분자 및 무기 첨가물의 함량이 상기 범위보다 커지고, 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지가 상기 범위보다 작아지면, 전도성이 저하되어 바람직하지 않고, 또한 이 반대의 경우에는 탄화수소 연료 차단성이 저하되어 바람직하지 않다.In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the hydrogen ion conductive cation exchange resin and the hydrogen ion nonconductive polymer are preferably present in a weight ratio of 50 to 90:50 to 10, more preferably in a weight ratio of 70 to 80:30 to 20. desirable. In addition, the inorganic additive is preferably present in 1 to 10 parts by weight, more preferably in 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the hydrogen ion conductive cation exchange resin and the hydrogen ion nonconductive polymer. When the content of the hydrogen ion nonconductive polymer and the inorganic additive is larger than the above range and the hydrogen ion conductive cation exchange resin is smaller than the above range, the conductivity is lowered, which is undesirable, and vice versa, the hydrocarbon fuel barrier properties It is lowered and is not preferable.

본 발명의 고분자 전해질 막은 10 내지 50㎛의 박막 상태로서, 이러한 얇은 두께를 가지고도 탄화수소 연료 분리능이 매우 우수하여, 이 전해질 막을 연료 전지에 적용하는 경우 출력 밀도를 향상시킬 수 있다.The polymer electrolyte membrane of the present invention has a thin film of 10 to 50 μm, and even with such a thin thickness, the hydrocarbon fuel separation ability is very excellent, and when the electrolyte membrane is applied to a fuel cell, the output density can be improved.

본 발명의 고분자 전해질 막을 제조하기 위해서는 먼저, 양이온 교환기를 갖는 이온 교환 수지를 유기 용매에 용해시켜 양이온 교환 수지 용액을 제조한다. 이때, 상기 양이온 교환 수지의 첨가량은 0.5 내지 30 중량%가 바람직하다.In order to prepare the polymer electrolyte membrane of the present invention, first, an ion exchange resin having a cation exchange group is dissolved in an organic solvent to prepare a cation exchange resin solution. At this time, the amount of the cation exchange resin added is preferably 0.5 to 30% by weight.

상기 유기 용매로는 디메틸아세테이트 등의 소수성 유기 용매를 사용하는 것 이 좋으며, 알코올과 같은 친수성 유기 용매는 적절하지 않다. 이는 양이온 교환 수지는 친수성을 가지나, 이후 첨가되는 무기 첨가물은 소수성을 가지므로, 유기 용매로 알코올과 같은 친수성 용매를 사용하는 경우, 무기 첨가물이 침전되어 바람직하지 않다. 상기 소수성 유기 용매로는 디메틸아세테이트, 디메틸아세트아마이드, 디메틸포름아마이드, N-메틸-2-피롤리디논 및 이들의 하나 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. It is preferable to use a hydrophobic organic solvent such as dimethyl acetate as the organic solvent, hydrophilic organic solvent such as alcohol is not suitable. This is because the cation exchange resin is hydrophilic, but since the inorganic additives added are hydrophobic, when an hydrophilic solvent such as alcohol is used as the organic solvent, the inorganic additives are precipitated, which is not preferable. As the hydrophobic organic solvent, dimethyl acetate, dimethylacetamide, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidinone and mixtures of one or more thereof may be used.

또한 시판되는 양이온 교환 수지로 폴리(퍼플루오로설폰산)을 사용할 경우 일반적으로 물과 2-프로판올과 같은 혼합 용매 중에 용해된 상태이므로, 이를 사용할 경우, 상온에서 강제로 증발시킨 후, 디메틸아세테이트 등의 소수성 용매에 약 0.5 내지 30 중량%의 농도로 다시 용해시켜 양이온 교환 수지 용액을 제조할 수도 있다.In addition, when poly (perfluorosulfonic acid) is used as a commercial cation exchange resin, since it is generally dissolved in a mixed solvent such as water and 2-propanol, when it is used, it is forcibly evaporated at room temperature, and then dimethyl acetate or the like. The cation exchange resin solution may also be prepared by dissolving again in a hydrophobic solvent at a concentration of about 0.5 to 30% by weight.

제조된 양이온 교환 수지 용액에 수소 이온 비전도성 고분자 용액을 첨가하여, 양이온 교환 수지-고분자 용액을 제조한다. 상기 수소 이온 비전도성 고분자 용액은 수소 이온 비전도성 고분자를 용매에 5 내지 30 중량%의 농도가 되도록 첨가하여 제조한다. 이때 용매로는 디메틸아세트아마이드, 디메틸포름아마이드 등을 사용할 수 있고, 상기 수소 이온 비전도성 고분자로는 상술한 것을 사용한다. 상기 양이온 교환 수지 용액과 수소 이온 비전도성 고분자 용액의 혼합 비율은 양이온 교환 수지와 수소 이온 비전도성 고분자가 50 내지 90 : 50 내지 10 중량비가 되도록 하는 것이 바람직하고, 70 내지 80 : 30 내지 20 중량비가 되도록 하는 것이 더욱 바람직하다. A hydrogen ion nonconductive polymer solution is added to the prepared cation exchange resin solution to prepare a cation exchange resin-polymer solution. The hydrogen ion nonconductive polymer solution is prepared by adding a hydrogen ion nonconductive polymer to a concentration of 5 to 30% by weight in a solvent. At this time, dimethylacetamide, dimethylformamide, etc. may be used as a solvent, and the above-mentioned thing is used as said hydrogen ion nonconductive polymer. The mixing ratio of the cation exchange resin solution and the hydrogen ion nonconductive polymer solution is preferably such that the cation exchange resin and the hydrogen ion nonconductive polymer are 50 to 90:50 to 10 weight ratio, and the 70 to 80:30 to 20 weight ratio is More preferably.

이어서, 상기 양이온 교환 수지-고분자 용액에 무기 첨가물을 첨가하고 혼합한다. 이 혼합 공정은 약 50 내지 120℃ 범위의 온도에서 기계적 또는 초음파 교반 조건 하에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 혼합 공정의 온도가 50℃보다 낮으면, 혼합 공정 시간이 지연되어 바람직하지 않고, 120℃보다 높으면, 용매가 증발되어 농도 조절이 어려워 바람직하지 않다. Subsequently, an inorganic additive is added to the cation exchange resin-polymer solution and mixed. This mixing process is preferably carried out under mechanical or ultrasonic stirring conditions at temperatures in the range of about 50 to 120 ° C. If the temperature of the mixing step is lower than 50 ° C, the mixing step is delayed and not preferable. If the temperature of the mixing step is higher than 120 ° C, the solvent is evaporated and the concentration is difficult to control.

상기 무기 첨가물의 첨가량은 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지와 수소 이온 비전도성 고분자의 총량 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부가 바람직하며, 1 내지 5 중량부가 더욱 바람직하다. 무기 첨가물의 함량이 1 중량부 미만이면, 탄화수소 연료의 크로스오버를 차단하는 효과가 저하되고, 10 중량부를 초과하면 제조되는 고분자 전해질 막이 부서지기(brittle) 쉬워 바람직하지 않다.The addition amount of the inorganic additive is preferably 1 to 10 parts by weight, more preferably 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the hydrogen ion conductive cation exchange resin and the hydrogen ion nonconductive polymer. If the content of the inorganic additive is less than 1 part by weight, the effect of blocking the crossover of hydrocarbon fuel is reduced. If the content of the inorganic additive is more than 10 parts by weight, the polymer electrolyte membrane produced is brittle and is not preferable.

이어서, 얻어진 용액을 사용하여 통상의 방법으로 필름화하여 고분자 전해질 막을 제조한다. Subsequently, the obtained solution is used to film in a conventional manner to prepare a polymer electrolyte membrane.

이때, 상기 얻어진 용액을 수소 이온 비전도성 지지 고분자로 형성된 다공성 지지체에 코팅한 후, 100 내지 120℃에서 건조하여, 고분자 전해질 막을 제조할 수도 있다. 상기 코팅 공정은 롤코팅, 침적 코팅, 스프레이 코팅 또는 슬럿-다이(Slot-die) 코팅과 같은 일반적인 액코팅 공정으로 실시할 수 있다.In this case, the obtained solution is coated on a porous support formed of a hydrogen ion nonconductive support polymer, and then dried at 100 to 120 ° C. to prepare a polymer electrolyte membrane. The coating process may be carried out by a general coating process such as roll coating, dip coating, spray coating or slot-die coating.

상기 제조 방법은 그 공정이 비교적 간편하고, 대량 생산에 유리하다.The manufacturing method is relatively simple in its process and is advantageous for mass production.

본 발명의 고분자 전해질 막을 포함하는 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극 및 이 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 본 발명의 고분자 전해질 막을 포함한다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention comprising the polymer electrolyte membrane of the present invention includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and the polymer electrolyte membrane of the present invention positioned between the anode electrode and the cathode electrode.

상기 캐소드 및 애노드 전극은 전극 기재와 촉매층을 포함한다.The cathode and anode electrodes comprise an electrode substrate and a catalyst layer.

상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극은 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극 촉매로는 보다 바람직하다. 그 대표적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.The catalyst layer is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn , At least one catalyst selected from the group consisting of Sn, Mo, W, Rh, and Ru). As described above, the anode electrode and the cathode electrode may use the same material, but in order to prevent the catalyst poisoning caused by CO generated during the anode electrode reaction in the direct oxidation fuel cell, a platinum-ruthenium alloy catalyst is used as the anode. It is more preferable as an electrode catalyst. Representative examples include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / One or more selected from the group consisting of Ru / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, and Pt / Ru / Sn / W can be used.

또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다. In addition, such a metal catalyst may be used as the metal catalyst (black) itself, or may be supported on a carrier. As the carrier, carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs or activated carbon may be used, or alumina, silica, zirconia, Inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. The catalyst layer may further include a binder resin for improving the adhesion of the catalyst layer and the transfer of hydrogen ions.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. It is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder resin, more preferably a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. Any polymer resin which has can be used. Preferably, a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether One or more hydrogen ion conductive polymers selected from ether ketone polymers or polyphenylquinoxaline polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene with fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole One containing at least one hydrogen ion conductive polymer selected from (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole) may be used.

상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.The hydrogen ion conductive polymer may replace H with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in an ion exchange group at the side chain end. In case of replacing H with Na in the side chain terminal ion exchanger, NaOH is substituted for the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is substituted for tetrabutylammonium, and K, Li or Cs may be substituted with appropriate compounds. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적 으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 고분자와 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.The binder resin may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used with a nonconductive polymer for the purpose of further improving adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the usage-amount so that it may be suitable for a purpose of use.

상기 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.Examples of the nonconductive polymer include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / tetrafluoro Ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dode At least one selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid and sorbitol is more preferred.

상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrate plays a role of supporting the electrode and diffuses the fuel and the oxidant to the catalyst layer, thereby serving to easily access the fuel and the oxidant to the catalyst layer. The electrode substrate is a conductive substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film or polymer fiber composed of metal cloth in a fibrous state). The metal film is formed on the surface of the cloth formed with)) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테 르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 플루오로에틸렌 폴리머 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다. In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material because it can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, and fluorinated ethylene Fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene, fluoroethylene polymers or copolymers thereof can be used.

또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. In addition, a microporous layer may be further included to enhance the reactant diffusion effect in the electrode substrate. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. The binder resin may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate Or copolymers thereof and the like can be preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. may be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

또한, 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급 부 및 산화제 공급부를 포함한다.In addition, the fuel cell system of the present invention includes at least one electricity generating portion, a fuel supply portion and an oxidant supply portion.

상기 전기 발생부는 본 발명의 고분자 전해질 막, 이 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 캐소드 및 애노드 전극 및 세퍼레이터("바이폴라 플레이트"라고도 함)를 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating unit includes a polymer electrolyte membrane of the present invention, cathode and anode electrodes and separators (also referred to as "bipolar plates") existing on both sides of the polymer electrolyte membrane, and generates electricity through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant. It plays a role.

상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에 있어서, 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다. 상기 산화제로는 산소 또는 공기를 들 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 연료 전지 시스템은 탄화수소 연료를 사용하는 직접 산화형 연료 전지 시스템이 바람직하다.The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generation unit. In the present invention, the fuel may include a hydrocarbon fuel in gas or liquid state. Representative examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas. Examples of the oxidant include oxygen or air. As such, the fuel cell system of the present invention is preferably a direct oxidation fuel cell system using a hydrocarbon fuel.

본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.A schematic structure of the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. 1, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 1 shows a system for supplying fuel and oxidant to an electric generator using a pump, the fuel cell system of the present invention is not limited to such a structure, and a fuel cell using a diffusion method without using a pump is shown. Of course, it can also be used for system architecture.

본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(7)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 1 of the present invention includes at least one electricity generation unit 3 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, a fuel supply unit 5 for supplying the fuel, And an oxidant supply unit 7 for supplying an oxidant to the electricity generation unit 3.

또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.In addition, the fuel supply unit 5 for supplying the fuel may include a fuel tank 9 storing fuel and a fuel pump 11 connected to the fuel tank 9. The fuel pump 11 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 9 by a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.The oxidant supply unit 7 for supplying the oxidant to the electricity generating unit 3 includes at least one oxidant pump 13 for sucking the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(19,19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(3)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다. The electricity generator 3 is composed of a membrane-electrode assembly 17 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant, and a separator 19 and 19 'for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly. At least one of these electricity generating units 3 constitutes a stack 15.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

상업적으로 시판되는 물과 2-프로판올에 용해되어 있는 퍼플루오로설포네이트 수지용액 (Solution Technology, 5 wt% Nafion/H2O/2-Propanol, EW1100)을 상온에서 강제로 증발시킨 후, 디메틸 아세트아마이드(DMA)에 5 중량%의 농도로 첨가하 고 100 ℃에서 24시간 교반하며 양이온 교환 수지를 용해시켜, 양이온 교환 수지 용액을 제조하였다.Perfluorosulfonate resin solution (Solution Technology, 5 wt% Nafion / H 2 O / 2-Propanol, EW1100) dissolved in commercially available water and 2-propanol was forcibly evaporated at room temperature, followed by dimethyl acetate. A cation exchange resin solution was prepared by adding amide (DMA) at a concentration of 5% by weight and stirring at 100 ° C. for 24 hours to dissolve the cation exchange resin.

폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF, Elf Atochem, Kynar761) 수소 이온 비전도성 고분자를 5 중량% 농도로 DMA에 첨가하고 100℃에서 24시간 교반하며 용해시킨 후, 상기 Nafion/DMA 용액 70g과 상기 PVdF/DMA 용액 30g을 혼합하고 100℃에서 24시간 이상 교반하여 상용성 양이온교환 수지-고분자 용액을 제조하였다. 얻어진 양이온 교환 수지-고분자 용액에 몬모릴로나이트 무기 첨가물 입자(종횡비: 1/200-1/800, Cloisite10A(Southern Clay Products, Inc. 제품)를 100℃의 온도에서 첨가하고 기계적으로 교반하며 초음파를 인가하여 무기물 성분을 균일하게 분산시켜 수소 이온 전달층 조성물을 제조하였다. 이때, 상기 몬모릴로나이트 무기 첨가물의 첨가량은 상기 수소 이온 비전도성 양이온 교환 수지와 수소 이온 비전도성 고분자의 총량 100 중량부에 대하여 1 중량부로 하였다.Polyvinylidene fluoride (PVdF, Elf Atochem, Kynar761) hydrogen ion non-conductive polymer was added to DMA at a concentration of 5% by weight, dissolved after stirring at 100 ° C. for 24 hours, 70 g of the Nafion / DMA solution and the PVdF / DMA 30 g of the solution was mixed and stirred at 100 ° C. for at least 24 hours to prepare a compatible cation exchange resin-polymer solution. To the obtained cation exchange resin-polymer solution, montmorillonite inorganic additive particles (aspect ratio: 1 / 200-1 / 800, Cloisite 10A (manufactured by Southern Clay Products, Inc.)) were added at a temperature of 100 ° C., mechanically stirred, and ultrasonically applied to inorganic substances. The components were uniformly dispersed to prepare a hydrogen ion transport layer composition, wherein the amount of the montmorillonite inorganic additive was 1 part by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the hydrogen ion nonconductive cation exchange resin and the hydrogen ion nonconductive polymer.

상기 수소 이온 전달층 조성물을 기공도가 60% 이상인 폴리비닐리덴 플루오라이드 고분자 지지체에 코팅한 후, 100℃에서 건조하여 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 제조된 고분자 전해질 막은 전체 두께가 30㎛이었으며, 상기 무기 첨가물은 고분자 전해질 막에 나노 상태로 분산되어 있었다. 제조된 고분자 전해질 막에서, 양이온 교환 수지, 수소 이온 비전도성 고분자 및 무기 첨가물의 비율은 중량비로 70 : 30 : 1이였다.The hydrogen ion transport layer composition was coated on a polyvinylidene fluoride polymer support having a porosity of 60% or more, and then dried at 100 ° C. to prepare a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. The prepared polymer electrolyte membrane had a total thickness of 30 μm, and the inorganic additive was dispersed in a nano state in the polymer electrolyte membrane. In the prepared polymer electrolyte membrane, the ratio of the cation exchange resin, the hydrogen ion nonconductive polymer, and the inorganic additive was 70: 30: 1 by weight.

(실시예 2)(Example 2)

몬모릴로나이트 무기 첨가물의 첨가량을 수소 이온 비전도성 양이온 교환 수 지와 수소 이온 비전도성 고분자의 총량 100 중량부에 대하여 10 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.Except that the amount of the montmorillonite inorganic additive was added to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the hydrogen ion nonconductive cation exchange resin and the hydrogen ion nonconductive polymer was carried out in the same manner as in Example 1.

상기 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 전해질 막 표면의 TEM 사진을 도 2 및 도 3에 각각 나타내었다. 도 2 및 도 3에서 진하게 나타나있는 부분이 몬트모릴로나이트와 폴리비닐리덴 플루오라이드가 혼화되어 존재하는 부분이며, 또한 길게 선으로 나타나있는 것이(특히 도 2에서 동그라미 안쪽) MMT를 나타낸다.TEM images of the surface of the polymer electrolyte membrane prepared according to Examples 1 and 2 are shown in FIGS. 2 and 3, respectively. The darker portions in FIGS. 2 and 3 are the portions where montmorillonite and polyvinylidene fluoride are mixed, and the long lines (particularly inside the circles in FIG. 2) represent MMT.

(실시예 3)(Example 3)

몬모릴로나이트 무기 첨가물의 첨가량을 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지와 수소 이온 비전도성 고분자의 총량 100 중량부에 대하여 3 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The amount of the montmorillonite inorganic additive was added in the same manner as in Example 1 except that the amount of the montmorillonite inorganic additive was changed to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the hydrogen ion conductive cation exchange resin and the hydrogen ion nonconductive polymer.

(실시예 4)(Example 4)

몬모릴로나이트 무기 첨가물의 첨가량을 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지와 수소 이온 비전도성 고분자의 총량 100 중량부에 대하여 5 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The amount of the montmorillonite inorganic additive was added in the same manner as in Example 1 except that the amount of the montmorillonite inorganic additive was changed to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the hydrogen ion conductive cation exchange resin and the hydrogen ion nonconductive polymer.

(실시예 5)(Example 5)

몬모릴로나이트 무기 첨가물의 첨가량을 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지와 수소 이온 비전도성 고분자의 총량 100 중량부에 대하여 7 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The addition amount of the montmorillonite inorganic additive was carried out in the same manner as in Example 1 except that the amount of the montmorillonite inorganic additive was changed to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the hydrogen ion conductive cation exchange resin and the hydrogen ion nonconductive polymer.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

상업적으로 시판되는 나피온 117 고분자 전해질 막을 사용하였다.A commercially available Nafion 117 polymer electrolyte membrane was used.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

상업적으로 시판되는 나피온 115 고분자 전해질 막을 사용하였다.A commercially available Nafion 115 polymer electrolyte membrane was used.

(비교예 3)(Comparative Example 3)

실시예 1에서 제조된 양이온 교환 수지 용액 100 중량부에 몬모릴로나이트 무기 첨가물 입자(종횡비: 1/200-1/800, Cloisite10A(Southern Clay Products, Inc. 제품) 1 중량부를 첨가하여 제조한 혼합 용액을 이용하여 통상의 필름화 공정으로 고분자 전해질 막을 제조하였다.To 100 parts by weight of the cation exchange resin solution prepared in Example 1, using a mixed solution prepared by adding 1 part by weight of montmorillonite inorganic additive particles (aspect ratio: 1 / 200-1 / 800, Cloisite 10A (manufactured by Southern Clay Products, Inc.)) To prepare a polymer electrolyte membrane by a conventional filming process.

(비교예 4)(Comparative Example 4)

몬모릴로나이트 무기 첨가물의 사용량을 3 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Comparative Example 3 was carried out except that the amount of the montmorillonite inorganic additive was changed to 3 parts by weight.

(비교예 5)(Comparative Example 5)

몬모릴로나이트 무기 첨가물의 사용량을 5 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Comparative Example 3 was conducted except that the amount of the montmorillonite inorganic additive was changed to 5 parts by weight.

(비교예 6)(Comparative Example 6)

몬모릴로나이트 무기 첨가물의 사용량을 7 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Comparative Example 3 was conducted except that the amount of the montmorillonite inorganic additive was changed to 7 parts by weight.

* 고분자 전해질 막의 X-선 회절 피크 측정* X-ray diffraction peak measurement of polymer electrolyte membrane

실시예 1, 실시예 3 내지 5 및 비교예 1의 고분자 전해질 막에서 양이온 교환 수지와 실리케이트 화합물이 균일하게 분산되어있는지 알아보기 위하여 상기 실시예 1, 실시예 3 내지 5 및 비교예 1의 고분자 전해질 막의 X-선 회절 피크를 측 정하여, 그 결과를 도 4에 나타내었다. In order to find out whether the cation exchange resin and the silicate compound are uniformly dispersed in the polymer electrolyte membranes of Examples 1, 3 to 5 and Comparative Example 1, the polymer electrolytes of Examples 1, 3 to 5 and Comparative Example 1 The X-ray diffraction peaks of the films were measured and the results are shown in FIG. 4.

X-선 회절 피크는 X-선 회절측정장치(X-ray diffractometer, Phillips, X'pert Pro X-ray)를 사용하여 CuKα선(λ=1.5406Å)을 이용하여 측정하였다. 도 4에서 화살표로 가르킨 부분은 일반적으로 MMT의 특정 피크가 나타나는 부분으로서, 나피온, MMT 및 PVdF가 서로 잘 혼화되면서, MMT의 특정 피크가 나타나지 않게 됨을 알 수 있다. 또한, MMT 첨가 유무 및 그 첨가량과 상관없이 유사한 X-선 회절 피크를 나타내므로, MMT 첨가에 따라 고분자 전해질 막의 결정성이 변화되는 것은 아님을 알 수 있다.X-ray diffraction peaks were measured using a CuKα line (λ = 1.5406 Hz) using an X-ray diffractometer (X-ray diffractometer, Phillips, X'pert Pro X-ray). The portion indicated by the arrow in FIG. 4 is a portion in which a specific peak of MMT generally appears. As Nafion, MMT, and PVdF are well mixed with each other, it can be seen that a specific peak of MMT does not appear. In addition, since it shows a similar X-ray diffraction peak regardless of the presence or absence of MMT addition amount, it can be seen that the crystallinity of the polymer electrolyte membrane does not change with MMT addition.

* 메탄올 투과도 측정* Methanol permeability measurement

또한 상기 실시예 1, 3, 4 및 5와, 비교예 1, 3 내지 6의 고분자 전해질 막의 메탄올 투과도를 측정하여 그 결과를 도 5에 나타내었다. In addition, the methanol permeability of the polymer electrolyte membranes of Examples 1, 3, 4, and 5 and Comparative Examples 1, 3 to 6 were measured, and the results are shown in FIG. 5.

도 5에 나타낸 것과 같이, 실시예 1, 3, 4 및 5의 메탄올 투과도가 비교예 1에 비하여 현저하게 낮음을 알 수 있다. 또한 몬모릴로나이트 무기 첨가물을 사용하였으나, 수소 이온 비전도성 고분자를 더욱 사용하지 않은 비교예 3 내지 6에 비하여도 실시예 1, 3, 4 및 5의 메탄올 투과도가 낮음을 알 수 있다. 이 결과로부터, 무기 첨가물이 고분자 전해질 막 내에서 메탄올의 경로를 방지하는 효과가 있으며, 또한 이러한 메탄올의 경로를 방지하는 효과는 수소 이온 비전도성 고분자와 함께 사용하는 경우 더욱 극대화되는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, it can be seen that the methanol permeability of Examples 1, 3, 4 and 5 is significantly lower than that of Comparative Example 1. In addition, although the montmorillonite inorganic additive was used, it can be seen that the methanol permeability of Examples 1, 3, 4, and 5 was lower than that of Comparative Examples 3 to 6, in which the hydrogen ion nonconductive polymer was not further used. From this result, it can be seen that the inorganic additive has an effect of preventing the path of methanol in the polymer electrolyte membrane, and the effect of preventing the path of methanol is further maximized when used with a hydrogen ion nonconductive polymer.

* 수소 이온 전도도 측정* Hydrogen ion conductivity measurement

실시예 1 및 비교예 2의 수소 이온 전도도를 측정하여 그 결과를 도 6에 나 타내었다. 또한, 나피온과 폴리비닐리덴 플루오라이드를 6 : 4 중량비로 혼합하여 제조된 고분자 전해질 막을 참고예로 하여 측정된 수소 이온 전도도를 도 6에 함께 나타내었다. 도 6에 나타낸 것과 같이, 메탄올 직접 산화형 연료 전지의 온도 영역에서는 MMT 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 사용에 상관없이 적절한 수소 이온 전도성을 나타냄을 알 수 있다. The hydrogen ion conductivity of Example 1 and Comparative Example 2 was measured and the results are shown in FIG. 6. In addition, the hydrogen ion conductivity measured using a polymer electrolyte membrane prepared by mixing Nafion and polyvinylidene fluoride in a 6: 4 weight ratio is shown in FIG. 6 together. As shown in FIG. 6, it can be seen that in the temperature range of the methanol direct oxidation fuel cell, appropriate hydrogen ion conductivity is exhibited regardless of the use of MMT and polyvinylidene fluoride.

본 발명의 고분자 전해질 막은 그 두께는 얇으면서, 이온 전도성 및 기계적 물성이 우수하고, 탄화수소 연료에 대한 차단(barrier) 특성이 뛰어나 특히 직접 산화형 연료전지에 바람직하게 사용가능하다.The polymer electrolyte membrane of the present invention is thin in thickness, excellent in ion conductivity and mechanical properties, and excellent in barrier properties to hydrocarbon fuels, and thus can be preferably used in a direct oxidation fuel cell.

Claims (21)

수소 이온 전도성 양이온 교환 수지;Hydrogen ion conductive cation exchange resins; 수소 이온 비전도성 고분자; 및 Hydrogen ion nonconductive polymer; And 단축과 장축의 비가 1/50 내지 1/1000인 무기 실리케이트를 포함하는 무기 첨가물Inorganic additives including inorganic silicates having a ratio of short axis and long axis from 1/50 to 1/1000 을 포함하며, 상기 무기 첨가물은 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지 및 수소 이온 비전도성 고분자의 총량 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부로 존재하는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.Wherein the inorganic additive is present in an amount of 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the hydrogen ion conductive cation exchange resin and the hydrogen ion nonconductive polymer. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The hydrogen ion conductive cation exchange resin is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell which is a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지는 이온 교환비가 3 내지 33이고, 당량 중량이 700 내지 2,000인 하나 이상의 고분자 수지인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The hydrogen ion conductive cation exchange resin is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell is an at least one polymer resin having an ion exchange ratio of 3 to 33, the equivalent weight of 700 to 2,000. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 고분자 수지는 플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The polymer resin may be a fluoropolymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, A polymer electrolyte membrane for a fuel cell selected from the group consisting of a polyether-etherketone-based polymer and a polyphenylquinoxaline-based polymer. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 고분자 수지는 플루오로계 고분자인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The polymer resin is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell is a fluoro-based polymer. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지, 수소 이온 비전도성 고분자 및 무기 첨가물을 지지하며,Supporting the hydrogen ion conductive cation exchange resin, hydrogen ion non-conductive polymer and inorganic additives, 수소 이온 비전도성 지지 고분자를 포함하고, 다수개의 기공을 갖는 다공성 지지체를 더욱 포함하는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.A polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising a hydrogen ion non-conductive support polymer, and further comprising a porous support having a plurality of pores. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 수소 이온 비전도성 지지 고분자는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리이미드(polyimide), 폴리벤즈옥사졸(polybenzoxazole) 및 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole)로 이루어진 군에서 선택되는 호모폴리머 1종 이상 또는 이들의 코폴리머 1종 이상인 연료 전지용 고분자전해질 막.The hydrogen ion non-conductive support polymer is polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, polyimide, polybenzoxazole A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, which is at least one homopolymer selected from the group consisting of polybenzimidazole) and at least one copolymer thereof. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 수소 이온 비전도성 지지 고분자는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리테트라플루오로에틸렌-폴리비닐리덴 플루오라이드의 코폴리머로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The hydrogen ion nonconductive supporting polymer is at least one polymer electrolyte membrane for a fuel cell selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene-polyvinylidene fluoride copolymer. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 수소 이온 비전도성 지지 고분자는 폴리테트라플루오로에틸렌인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The hydrogen ion non-conductive support polymer is a polytetrafluoroethylene polymer electrolyte membrane for a fuel cell. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 수소 이온 비전도성 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드 호모폴리머, 폴리비닐리덴 플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 코폴리머, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리비닐알콜로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The hydrogen ion non-conductive polymer is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride homopolymer, copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate and polyvinyl alcohol Polymer electrolyte membrane for phosphorus fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지 및 수소 이온 비전도성 고분자는 50 내지 90 : 50 내지 10 중량비로 존재하는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The hydrogen ion conductive cation exchange resin and the hydrogen ion nonconductive polymer are present in a 50 to 90:50 to 10 weight ratio polymer electrolyte membrane for a fuel cell. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지 및 수소 이온 비전도성 고분자는 70 내지 80 : 30 내지 20 중량비로 존재하는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The hydrogen ion conductive cation exchange resin and the hydrogen ion non-conductive polymer are present in a 70 to 80: 30 to 20 weight ratio polymer electrolyte membrane for a fuel cell. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 무기 첨가물은 상기 수소 이온 전도성 양이온 교환 수지 및 수소 이온 비전도성 고분자의 총량 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부로 존재하는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The inorganic additive is present in the polymer electrolyte membrane for a fuel cell is present in 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the hydrogen ion conductive cation exchange resin and hydrogen ion non-conductive polymer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 무기 첨가물은 피로필라이트-탈크(pyrophylite-talc), 몬모릴로나이트(montmorillonite:MMT), 사포나이트(saponite), 플루오르헥토라이트 (fluorohectorite), 카올리나이트 (kaolinte), 버미큘리트(vermiculite), 라포나이트(laponite), 일라이트(illite), 마이카(mica), 브리틀 마이카(brittle mica), 테트라실린 마이카(tetrasilicic mica) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되 는 것인 연료 전지용 고분자전해질 막.The inorganic additive may be pyrophylite-talc, montmorillonite (MMT), saponite, fluorohectorite, kaolinite, vermiculite, laponite (laponite) A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, which is selected from the group consisting of laponite, illite, mica, brittle mica, tetrasilicic mica and mixtures thereof. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 무기 첨가물은 나노 상태로 분산되어 있는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The inorganic additive is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell that is dispersed in a nano state. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 다공성 지지체는 60% 이상의 기공도를 갖는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The porous support is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell having a porosity of 60% or more. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 제1항 내지 제12항 및 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항의 고분자 전해질 막The polymer electrolyte membrane of any one of claims 1 to 12 and 14 to 17 positioned between the anode electrode and the cathode electrode. 을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.Membrane-electrode assembly for fuel cell comprising a. 제18항에 있어서,The method of claim 18, 상기 막-전극 어셈블리는 직접 산화형 연료 전지용인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The membrane electrode assembly is a fuel cell membrane electrode assembly for direct oxidation fuel cells. 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 적어도 하나의 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;At least one membrane-electrode assembly and a separator including an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, and including an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant. At least one electricity generating unit generating electricity; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하고,An oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generation unit, 상기 고분자 전해질 막은 제1항 내지 제12항 및 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항의 고분자 전해질 막인 연료 전지 시스템.18. The fuel cell system of claim 1, wherein the polymer electrolyte membrane is the polymer electrolyte membrane of any one of claims 1 to 12 and 14 to 17. 제20항에 있어서,The method of claim 20, 상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지 시스템인 연료 전지 시스템.The fuel cell system is a direct oxidation fuel cell system.
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