KR100790426B1 - 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액 및 이를이용한 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법,막-전극접합체 및 연료전지 - Google Patents

양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액 및 이를이용한 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법,막-전극접합체 및 연료전지 Download PDF

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Abstract

양이온 전도성 고분자 복합막의 제조에 사용되는 코팅액에 사용되는 용매의 종류를 다원화하고 첨가제의 종류를 특정함으로써 직접메탄올형 연료전지에 적용시 메탄올의 투과도가 낮으면서도 옴저항이 낮아 이온전도도가 우수한 양이온 전도성 고분자 복합막을 얻을 수 있는 슬러리 타입 코팅액이 제공된다. 본 발명에 따른 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액은 양이온 교환기를 가지는 고분자 100 중량부에 대하여; 술폰화 된 클레이 1~10 중량부; 및 180~250℃의 비점을 가지는 고비점 용매와 100~180℃의 비점을 가지는 저비점 용매가 혼합되어 있는 공용매를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 코팅액을 이용한 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법 및 이를 이용한 막-전극 접합체, 연료전지도 제공된다.
양이온 전도성, 고분자 복합막, 술폰화 된 클레이, 양이온 교환기, 고비점 용매, 저비점 용매

Description

양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액 및 이를 이용한 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법, 막-전극접합체 및 연료전지{COATING SLURRY FOR MANUFACTURING THE CATION CONDUCTIVE POLYMER COMPOSITE MEMBRANES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY, FUEL CELL}
도 1은 본 발명의 양이온 전도성 고분자 복합막이 주로 사용되는 직접메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)의 발전원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 상기에서 제시된 코팅액을 이용하여 양이온 전도성 고분자 복합막을 필름캐스팅(film casting) 방법을 이용하여 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
도 3은 상기에서 제시된 코팅액을 이용하여 양이온 전도성 고분자 복합막을 제조하기 위한 필름 캐스팅 장치를 모식적으로 도시한 것이다.
도 4는 상기의 방법에 의해 제조된 양이온 전도성 고분자 복합막을 이용하여 제조된 막-전극 접합체(Membrane-Electrode assembly; MEA)를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 상기의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 모식적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 6은 실시예 2 및 비교예 4에 의해 제조된 막-전극 조립체의 단위 전지 셀의 성능 평가를 수행한 결과를 도시한 것이다.
본 발명은 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액 및 이를 이용한 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법, 막-전극접합체 및 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조에 사용되는 코팅액에 사용되는 용매의 종류를 다원화하고 첨가제의 종류를 특정함으로써 직접메탄올형 연료전지에 적용시 메탄올의 투과도가 낮으면서도 옴저항이 낮아 이온전도도가 우수한 양이온 전도성 고분자 복합막을 얻을 수 있는 슬러리 타입 코팅액 및 이를 이용한 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법, 막-전극접합체 및 연료전지에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)란 수소(H2)와 산소(O2)가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 애노드(anode)와 캐소드(cathode)에 각각 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술이다.
이러한 연료전지는 총 효율을 80% 이상으로 높이는 고효율 발전이 가능하며, 또한 NOx나 CO2의 배출량이 거의 없고 소음도 매우 적어 공해 배출 요인이 거의 없는 무공해 에너지 기술로서 차세대 에너지 변화장치로 각광받고 있다.
이러한 연료전지는 내부 전해질의 종류에 따라 인산형(PAFC), 알칼리형(AFC), 고분자전해질형(PEMFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SOFC), 직접메탄올형(DMFC)으로 나눌 수 있는데, 이들 각 연료전지들은 근본적으로는 같은 원리에 의해서 작동되지만 연료의 종류, 운전온도, 촉매 및 전해질에서 차이가 난다.
도 1은 본 발명의 양이온 전도성 고분자 복합막이 주로 사용되는 직접메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)의 발전원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 연료전지는 메탄올 및 물공급부(100)와 산소공급부(140)사이에 음극(110)와 양극(130) 및 양이온 전도성 고분자 막(120)이 적층(stacking)되어 있는 구조로 되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이 메탄올(CH3OH)과 물(H2O)는 메탄올 및 물공급부(100)에서 음극(연료극이라고도 함; 110)를 통해서 공급되고, 산소(O2)는 산소공급부(140)에서 양극(공기극이라고도 함; 130)를 통해서 공급된다.
메탄올 및 물공급부(100)에서 공급된 메탄올과 물은 음극(110)으로 공급되고, 음극(110)에서 메탄올과 물은 촉매에 의해 분해되어 수소이온(H+), 이산화탄소(CO2), 및 전자(e-)를 생성한다.
(반응식: CH 3 OH + H 2 O → 6H + + CO 2 + 6e - )
이때, 음극(110)에서 생성된 수소이온(6H+)은 양이온 전도성 고분자 막(120)을 통하여 양극(130)으로 전달되며, 음극(110)에서 생성된 전자(6e-)는 외부도선(150)을 따라 양극(130)로 이동하게 된다.
양극(130)에서는 산소공급부(140)를 통해 공급된 산소(O2)와 전자(e-)가 환원반응하여 산소이온(O2 -)을 생성한다.
(반응식: 1.5O 2 + 6e - → 3O 2 2- )
이후, 환원된 산소이온(3O2 2-)과 양이온 전도성 고분자막(120)을 통해 전달된 수소이온(6H+)이 반응하여 물을 생성한다.
(반응식: 3O 2 - + 6H + → 3H 2 O)
이때 일어난 전자(e-)의 흐름으로 인해 전류(current)가 생성되고, 발열반응(exothermic)인 물(H2O) 생성 반응에서 열(heat)도 부수적으로 발생하게 된다. 이렇게 생성된 전류는 직류 전류로서 직류 전동기의 전력으로 사용되거나 전력변환기(DC/AC invertor)를 통해 교류로 바꾸어 사용하기도 한다. 또한, 연료전지 반응 에서 생성되는 부가적인 열은 난방용으로 사용될 수도 있다.
상기와 같은 직접메탄올형 연료전지에 있어서 양이온 전도성 고분자 막(120)은 음극(110)의 촉매층에서 발생된 수소이온(6H+)을 양극(130)으로 전달하고, 음극(110)으로 공급되는 연료(직접메탄올형의 경우엔 메탄올, 물, 기타 연료전지의 경우엔 수소(H2))가 음극(110)에서 이온화되지 않고 양극(130)으로 크로스오버(crossover)되지 않도록 하는 기능을 수행한다.
직접메탄올 연료전지가 가지는 이러한 이론 값에 최대한 가깝게 실제 연료전지에서 구현하기 위해서는 기본적으로 수소이온과 전자를 발생시키고 산소와의 반응이 일어나는 막-전극 조립체의 성능이 우수해야 하며, 이 중에서도 음극에서 발생된 수소이온을 양극으로 전달하는 양이온 전도성 고분자 막의 역할이 매우 중요하다.
수소이온을 전달하는 능력을 나타내는 이온전도도가 큰 고분자 막이 사용된 막-전극 조립체는 옴 저항(Ohmic Resistance)이 감소하여 높은 전력 밀도를 얻을 수 있다.
또한, 다른 고분자 막의 기능은, 직접메탄올 연료전지의 경우에는 메탄올이 음극에서 양극으로 크로스오버(Cross-over)되지 않도록 하며, 고분자전해질 연료전지의 경우에는 수소 또는 기타 수소로 개질 가능한 기체 연료가 음극에서 양극으로 크로스오버되지 않는 역할을 수행한다.
연료가 음극에서 양극으로 고분자 막을 통해서 투과할 경우 양쪽 전극에서 연료가 산화하는 동일한 반응이 발생하기 때문에 역전위(Reverse Potential)에 의한 반응 전위의 감소현상이 나타나며, 결국 연료전지의 전력밀도가 감소하는 결과를 초래한다.
종래의 경우, 양이온 전도성 고분자 막의 메탄올 투과도를 감소시키기 위하여 실리카, 클레이 등의 무기 입자를 고분자에 분산시키거나 분산도를 향상시키기 위하여 유기화 처리된 실리카나 클레이를 사용하기도 하였다.
그리고 이러한 이온전도성이 없는 무기입자를 첨가함으로써 발생하는 이온전도도 감소 현상을 방지하기 위하여 술폰 산(Sulfonic Acid)이 결합된 술폰화 클레이를 고분자에 분산하여 막을 제조하는 기술도 개발되었다.
이들의 경우 고분자 막을 제조하는 공정은, 유리나 테플론(Teflon) 트레이(Tray)에 저점도의 용액을 채워 장시간의 건조를 통해 제막하는 용액 캐스팅(Solution Casting)법, 유리 판에 코팅액을 캐스팅하는 방법, 고분자를 핫 프레스(Hot Press)로 열간 압축하는 등의 단순한 배치(Batch) 방식이 대부분이었으며, 생산성이 높은 고분자 필름 기재를 이용한 연속 공정에 적용하기 위한 코팅액의 개발 및 공정 기술 개발이 미비하였다.
미국 등록특허 제7,008,971호에서는, 클레이, 제올라이트, 수산화물, 무기물, 염 등의 무기 양이온을 교환할 수 있는 물질, 실리카계 물질, 용매 및 고분자로 구성된 점성이 있는 액을 기재상에 적용하여 고분자 복합막을 제조하는 기술을 제공하였다.
이 특허의 경우, 복합체를 구성하기 위하여 클레이나 변형 클레이를 사용하 지만 술폰 산을 지니는 술폰화 클레를 사용하지 않았으며, 사용되는 용매로서 N-methyl-2-pyrrolidinone(NMP), N,N-dimethyl acetamide(DMAc), N,N-dimethylformamide(DMF), dimethyl sulfoxide(DMSO), isopropyl alcohol(IPA) 등의 다양한 용매를 사용할 수 있다고 언급하였으나, 연속공정을 위한 필름 캐스팅법에 적합한 공용매(Co-solvent) 조성을 찾지 못하였다.
또한 점성을 지니는 액체라고 언급되어 있지만 필름 캐스팅을 위한 적절한 코팅액의 점도 범위가 최적화 되어 있지 않다.
한국 등록특허 제496,936호에서는, 양성자 전도성 고분자 복합체를 구성하기 위하여 고분자와 유기화된 클레이를 혼합하여 분산하는 기술이 개시되어 있다. 여기서 유기화된 클레이는 고분자와의 혼합 및 분산시 고분자가 클레이의 층상구조 사이에 용이하게 삽입되게 하여 클레이 층들의 박리와 클레이의 분산도를 높이는 데 도움을 주기 위한 것이다. 유기화제로 알킬아민, 알킬렌 디아민, 알킬 암모늄, 알킬 암모늄염, 또는 아미노헥산 등을 사용하며 이와 같이 유기화된 클레이는 술폰산을 함유하고 있지 않기 때문에 첨가량이 증가할수록 고분자 복합막의 이온 전도도의 저하가 심하다는 문제점을 가지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 필름 캐스팅(Film casting)법을 적용하는데 적합하며, 직접투과율이 낮으면서도 이온전도도와 기계적 물성이 우수한 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액을 제공하는데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 코팅액을 이용한 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법을 제공하는데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 양이온 전도성 고분자 복합막을 포함하는 막-전극 접합체, 연료전지를 제공하는데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액은 양이온 교환기를 가지는 고분자 100 중량부에 대하여 술폰화 된 클레이 1~10중량부; 및 180~250℃의 비점을 가지는 고비점 용매와 100~180℃의 비점을 가지는 저비점 용매가 1:20 ~ 1:1.5의 무게비로 혼합되어 있는 공용매를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법은 (a) 상기 코팅액을 고분자 필름의 일면에 코팅하여 코팅막을 형성해 주는 단계; (b) 코팅막에 포함되어 있는 저비점 용매를 주로 제거해주는 1차 건조단계; 및 (c) 코팅막에 포함되어 있는 고비점 용매를 주로 제거해주는 2차 건조단계를 포함한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 막-전 극 접합체는 상기 방법에 의해 제조되는 양이온 전도성 고분자 복합막; 양이온 전도성 고분자 복합막의 양면에 코팅된 또는 접합된 촉매층; 및 촉매층의 양면에 배치되는 기체확산층을 포함하며, 이러한 막-전극 접합체와 바이폴라 플레이트가 결합되어 연료전지 어셈블리가 구성된다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수도 있고, 그 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.
본 발명에 따른 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액은 양이온 교환 기를 가지는 고분자, 슬폰화 된 클레이, 및 공용매(co-solvent)를 포함한다.
<양이온 교환기를 가지는 고분자>
양이온 교환기를 가지는 고분자는 고분자 막의 제조시 기재(matrix)로 사용되는 것으로서, 측쇄에 양이온 교환기를 가지는 불소계 고분자 및 양이온 교환기를 가지는 비불소계 고분자인 탄화수소계 고분자로 통상적으로 분류한다.
그리고, 탄화수소계 고분자는 폴리술폰(Polysulfone)계 고분자, 폴리아릴에테르설폰(Polyaryl ether sulfone)계 고분자, 폴리포스파젠(Polyphosphazene)계 고분자, 폴리에테르케톤(Poly-etherketone)계 고분자, 폴리아릴에테르케톤(Polyaryl ether ketone)계 고분자, 폴리프탈라지논에테르케톤(Poly(phthalazinone ether ketone))계 고분자, 폴리이미드(Polyimide)계 고분자, 폴리벤즈이미다졸(Polybenzimidazole)계 고분자, ABS(Acrylonitrile-butadiene-styrene)계 고분자, SBR(Styrene-butadiene rubber)계 고분자, 폴리 스티렌(Polystyrene)계 고분자, 폴리올레핀(Polyolefin)계 고분자, 폴리카보네이트(Polycarbonate)계 고분자, PET(Poly ethylene terephthalate)계 고분자, PEN(Poly ethylene naphthalate)계 고분자, 아크릴(Acryl)계 고분자 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 구체적으로 불소계 고분자는 Dupont사의 Nafion, Asahi Kasei사의 Aciplex, Asahi Glass사의 Flemion, Solvay사의 Hyflon ion등을 예로 들 수 있다.
이때, 양이온 교환기로는 술폰산기(Sulfonic acid), 포스폰산기, 황산기, 인 산기, 카르복실산기, 술폰이미드기 중 하나 또는 두 개 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.
< 술폰화 된 클레이 >
일반적으로 연료전지에 있어서 클레이는 양이온 전도성 고분자 막의 메탄올 투과성을 감소시키고 기계적 강도를 증가시키기 위하여 사용되는 것으로, 상기 양이온 교환기를 가지는 고분자의 부피 전체에 걸쳐 골고루 분포되어 사용된다.
본 발명에서는 이러한 클레이로서 술폰화 된 클레이를 사용하였다.
술폰화 된 클레이는 몬트모릴로나이트(Montmorillonite; MMT), 일라이트(Illite), 카올리나이트(Kaolinite), 버미큘라이트(Vermiculite), 스멕타이트(Smectite), 헥토라이트(Hectorite), 마이카(Mica), 벤토나이트(Bentonite), 논트로나이트(Nontronite), 사포나이트(Saponite), 제올라이트(Zeolite), 알루미나(Alumina), 루타일(Rutile) 및 탈크(Talc) 중 선택되는 하나 또는 두개 이상의 클레이에 술폰산이 함유되어 있는 것을 의미한다.
이 중 몬트모릴로나이트를 이용하여 술폰화 된 클레이를 제조하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
몬토모릴로나이트를 황산 수용액에서 처리하여 Na+-MMT 형태를 H+-MMT 형태로 변형한 이후, 3-MPTMS(3-mercaptopropyltrimethoxy silane)으로 처리하면, MMT의 표면에 티올(Thiol, -SH)이 그라프팅(grafting)되며, 이는 산화되어 슬폰산(- SO3H)이 된다.
앞서 사용된 3-MPTMS 대신 1-프로판 술톤(1-propane sultone)으로 처리해도 술폰산기를 MMT에 도입하는 것이 가능하다.
이와 같이 제조된 술폰화 된 클레이를 상기 양이온 교환기를 가지는 고분자에 첨가해주면 이온전도도의 큰 손실 없이 양이온 전도성 고분자막의 메탄올 투과도를 효과적으로 줄일 수 있다.
술폰화 된 클레이의 함량은 상기 양이온 교환기를 가지는 고분자 100 중량부에 대하여 1~10중량부이다. 즉, 양이온 교환기를 가지는 고분자와 술폰화 된 클레이 복합체의 전체 중량에서 술폰화 된 클레이가 차지하는 무게비는 1~10 중량%이다.
술폰화 된 클레이의 함량이 상기와 같은 범위를 가져야 하는 이유는, 술폰화 클레이 함량이 양이온 교환기를 가지는 고분자 100 중량부에 대하여 1 중량부 미만일 경우에는 고분자에 분산된 술폰화 클레이의 양이 부족하게 되어 오히려 술폰화 클레이를 첨가하지 않은 고분자 막에 대비하여 70% 보다 높은 메탄올 투과도를 가져 메탄올 크로스오버를 방지하는 효과가 적다.
그리고, 술폰화 클레이 함량이 양이온 교환기를 가지는 고분자 100 중량부에 대하여 10 중량부를 초과하는 경우에는 술폰화 된 클레이의 분산이 어려워 클레이간의 응집 현상이 발생하며 이로 인하여 메탄올 투과도는 다시 높아지는 문제가 발생하며 이온 전도도는 계속하여 감소한다.
기계적 물성 측면에서도 술폰화된 클레이가 1 중량부 이상 또는 10 중량부 이하의 함량으로 고분자와 혼합될 때 클레이가 없는 고분자 막에 대비하여 인장강도는 최대 166%, 연신율은 최대 133%나 증가한다.
<공용매>
공용매(co-solvent)는 고비점 용매(제1 용매)와 저비점 용매(제2 용매)를 포함한다.
고비점 용매는 180~250℃의 비점(boiling point)을 가지는 용매로서, 구체적으로 N-메틸-2-피롤리딘(N-methyl-2-pyrrolidinone(NMP)), 디메틸 술폭사이드(dimethyl sulfoxide(DMSO)), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol(EG)) 중 하나 또는 두 개 이상 선택되는 것이 사용된다.
저비점 용매는 100~180℃의 비점을 가지는 용매로서, 구체적으로 N,N-디메틸 아세트아미드(N,N-dimethyl acetamide(DMAc)), 디메틸포르마이드(dimethylformamide(DMF)), 사이클로펜타논(Cyclopentanone), 물(H2O) 중 하나 또는 두 개 이상 선택되는 것이 사용된다.
본 발명의 코팅액에서는 하나의 용매만을 사용하지 않고 비점의 차이가 적어도 30~50℃가 나는 고비점 용매와 저비점 용매를 혼합하여 사용하는 이유는 하나의 용매만을 사용할 경우 당해 용매의 비점 부근에서 급격한 탈리(secession) 현상이 생겨, 건조 후 제조되는 고분자 복합막에 기포(pore) 또는 크랙(crack)과 같은 결 함(defect)이 발생될 우려가 높기 때문이다.
또한, 고비점 용매만을 사용하게 되면 코팅액의 건조를 위하여 지나치게 높은 온도에서 장시간 건조해야하는 불편함이 있으며, 이는 건조장치의 길이를 고려할 때, 설계를 제한하는 요인으로 작용하게 된다.
저비점 용매만을 사용하게 되면 건조 온도가 낮고 빠른 건조가 가능하다는 장점은 있으나, 건조공정 이전의 코팅공정 상에서 저비점 용매가 휘발되어 점도 변화와 코팅액의 농도 변화가 생길 우려가 있다.
또한, 고비점 용매와 저비점 용매의 혼합비율을 조절해 줌으로써 공용매의 공비점(Azeotropic point)의 변화의 조절이 가능하게 되는데, 이로서 수소이온(H+)을 전달하는 이온 클러스터(ion cluster)의 크기와 분포를 변화시켜 궁극적으로 최종적으로 생성되는 고분자 복합막의 이온전도도와 메탄올 투과도를 조절하는 것이 가능해 진다.
따라서, 고비점 용매와 저비점 용매를 적절한 비율 혼합하여 사용하는 것이 바람직한데, 이때 고비점 용매:저비점 용매의 혼합비율은 무게비를 기준으로 1:20 ~ 1:1.5의 비율로 혼합해 주는 것이 좋다.
이와 같이 고비점 용매의 무게보다 저비점 용매의 무게비를 높게 해주어야 저온에서 1차 건조시 다량의 저비점 용매의 탈리시 고비점 용매가 코팅막의 내부에 잔류하여 적당한 코팅막이 적절한 점도를 가지도록 조절해 주면서, 이후 고온에서 2차건조 시 잔류하는 고비점 용매를 탈리시켜 줌으로써 최종적으로 생성되는 코팅 막 내부의 스트레스(stress)를 줄여 주어 표면이 매끈하고도 전체적으로 밀도 있고 균질한 코팅막을 얻을 수 있게 되며, 이로 인하여 높은 이온전도도를 유지하면서도 메탄올의 투과도를 낮출 수 있게 된다.
본 발명의 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액에 있어서 공용매가 차지하는 비율은 구체적으로 고비점 용매와 저비점 용매로서 어떤 용매가 사용되느냐에 따라 결정되며, 어떠한 경우에 있어서도 본 발명의 공용매는 상기와 같은 비율을 유지하면서 코팅액의 제조시 첨가되며, 이로 인하여 최종적으로 제조되는 코팅액의 점도(viscosity)는 1000~5000cPs의 범위가 되도록 해준다.
따라서, 고비점 용매와 저비점 용매로서 비점은 비슷하나 점도가 높은 용매가 사용되었다면, 첨가되는 공용매의 양은 적으며, 점도가 낮은 용매가 사용되었다면 첨가되는 공용매의 양은 늘어나게 된다.
본 발명의 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액의 점도가 1000~5000cPs의 값을 가져야 되는 이유는, 코팅막의 제조시 주로 사용되는 필름 캐스팅(film casting 또는 tape casting) 공정에서 코팅액을 고분자 필름에 코팅시 균일한 두께를 얻게 하고, 코팅 후 코팅된 막이 캐스팅 된 형태로 그대로 유지되고 있지 않고 흘러 내려 코팅막 전체의 두께 편차가 생기지 않게 해주기 위함인데, 구체적으로 코팅액의 점도가 1000cPs 미만일 경우엔 캐스팅된 코팅막의 폭의 변화가 발생하여 건조 장치로 진입 전에 수직 중력 방향으로 코팅액이 흘러내리는 문제가 발생할 수 있고, 점도가 5000cPs를 초과할 경우에는 점도가 너무 높아 코팅액을 이용하여 코팅막을 제조하는 데에 어려움이 있고, 코팅속도를 높이는 데에도 한계가 있기 때문이다.
<코팅액을 이용한 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조>
도 2는 상기에서 제시된 코팅액을 이용하여 양이온 전도성 고분자 복합막을 필름캐스팅(film casting) 방법을 이용하여 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정흐름도이고, 도 3은 상기에서 제시된 코팅액을 이용하여 양이온 전도성 고분자 복합막을 제조하기 위한 필름 캐스팅 장치를 모식적으로 도시한 것이다.
이하에서는 상기 코팅액을 이용하여 필름 캐스팅 장치를 이용한 코팅막의 제조방법에 대하여 설명을 하나, 본 발명에서 상기 코팅액을 이용한 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법은 이에 한정되지 아니하고 용융압출법이나 기타 슬러리 형태의 코팅액을 이용하여 코팅막의 제조시 사용되는 다양한 종류의 코팅법이 사용될 수 있다.
본 발명에서 제시하고 있는 코팅액을 이용하여 양이온 전도성 고분자 복합막을 제조하기 위해서는 먼저, 코팅액을 고분자 필름의 일면 또는 양면에 코팅하여 코팅막을 형성해준다(S210).
고분자 필름(310)은 기재롤(300)에 권취(rolling)되어 있으며, 일정한 속도로 코팅다이(330)를 향하여 풀려(release) 나가게 된다.
그 후, 코팅다이(330)에서는 코팅액 욕조(reservoir;320)에 담겨 있는 코팅액이 일정량 코팅다이(330)로 흘러 들어오게 되고, 이를 코팅다이(330)에서 고분자 필름(310)의 일면 또는 양면에 일정한 두께로 코팅을 하여 코팅막을 형성하게 된 다.
이때 사용되는 고분자 필름(310)은 구체적으로 PET (Poly(ethylene terephthalate))계 필름, PEN(Poly (ethylene naphthalate))계 필름, PC(Polycarbonate)계 필름, 테프론(Teflon)계 필름, 폴리이미드(Polyimide)계 필름, 폴리올레핀(Polyolefin)계 필름, 이형물질이 표면 처리된 필름 중에서 선택되어 질 수 있으며, 그 두께는 50~150㎛인 것이 바람직하다.
그리고, 코팅다이(330)로는 다이코터, 콤마코터, 블레이드 코터, 그라비아 코터 등과 같이 여러 종류의 코터가 사용될 수 있으나, 다이코터를 사용하는 것이 바람직하다.
고분자 필름(310)의 두께가 상기의 범위의 값을 가져야 하는 이유는 50㎛ 미만의 두께를 가지는 고분자 필름(310)의 경우엔 100℃ 이상의 고온건조 과정에서 코터의 롤(roll) 사이에서 작용하는 장력(tension)을 견디지 못하고 파단될 우려가 있으며, 두께가 150㎛를 초과하는 고분자 필름(310)의 경우에는 가격이 높고 코터에서의 주행성(생산속도)가 낮아질 수 있기 때문이다.
고분자 필름(310) 상에 형성되는 건조되기 전의 코팅막 두께는 크게 제한은 없으나, 10㎛ ~ 3㎜의 범위를 가지도록 해줌이 바람직하다.
이후 코팅막이 형성된 고분자 필름(310)은 가이드롤(1,2)을 따라 열풍건조장치(360) 내부로 이송되는데, 이때 열풍건조장치(360)로 이송되기전 코팅막의 두께를 균일하게 해주기 위한 미터링롤(350)을 한번 더 거치게 될 수도 있다.
열풍건조장치(360)로 이송된 코팅막이 형성된 고분자 필름(310)은 코팅막에 포함되어 있는 저비점 용매를 주로 제거해주는 1차 건조 단계를 거치게 된다(S220).
1차 건조단계에서는 이론적으로는 저비점 용매만을 제거를 목적으로 하고 있으나, 실제로는 대부분의 저비점 용매와 소량-일부의 고비점 용매도 제거된다.
이와 같이 1차 건조를 거치게 되면 코팅막 내부에 존재하는 공용매 중 많은 양의 저비점 용매가 제거되어 코팅막의 점도는 급격히 증가하게 된다.
이후 열풍건조장치(360) 내부의 온도를 1차 건조 조건 이상으로 올려주어 고비점 용매를 주로 제거해주는 2차 건조 단계를 거치게 된다(S230).
2차 건조단계에서는 이론적으로는 고비점 용매만을 제거를 목적으로 하고 있으나, 실제로는 대부분의 고비점 용매와 상기 1차 건조 단계에서 제거되지 않은 일부의 저비점 용매가 제거되게 된다.
이와 같은 건조과정을 거치게 되면 고분자 필름(310) 상에 형성된 코팅막은 액체 보다는 고체에 가까운 그린시트(green sheet) 형태의 막으로 제조되게 된다.
다만, 상기에서 열풍건조공정 다음에 UV 건조 공정(370)을 거치게 되면 코팅막 내부에 존재하는 UV 경화성 물질을 통하여 고분자 매트릭스를 가교시킬 수 있게 된다.
연료전지용 양이온 전도성 고분자 막의 경우 상기와 같이 수십 마이크로미터에서 수밀리의 두꺼운 두께로 캐스팅 되는데 비해, 건조장치(360)의 길이는 설계상 제한이 따르게 되므로, 코팅막의 충분한 건조를 위해서는 건조장치의 길이와 고분자 필름의 라인주행속도 간에 일정한 제한이 있어야 한다.
본 발명에서는 여러 번의 실험을 거친 결과 상기와 같은 필름 캐스팅 공정시 아래와 같이 건조장치 길이와 코팅라인의 주행속도 간의 관계를 제시한다.
* 건조장치의 길이(m)/라인주행속도(m/min) = 2 ~ 20
상기의 값이 2 미만일 경우에는 라인 주행 속도가 건조 장치의 길이에 비해 너무 빨라서 코팅막 내의 용매가 과량으로 잔류하게 될 우려가 있고, 20 이상일 경우에는 고온의 건조장치 내부에서 고분자 필름이 장시간 동안 롤(roll)에 의한 장력을 받게 되면 고분자 필름이 파단될 우려가 있기 때문이다.
다음으로, 상기와 같이 코팅-건조된 고분자 필름 상의 코팅막을 권취롤(380)을 이용하여 권취 시켜주게 된다(S240).
다만, 이때의 권취 단계는 코팅막이 고분자 필름에 코팅되어 있는 채로 권취될 수도 있으나, 권취단계 이전에 코팅막을 고분자 필름으로부터 분리하여 코팅막, 즉 양이온 전도성 고분자 복합막만을 권취할 수도 있다.
상기와 같은 필름 캐스팅 공정에 있어서 고분자 필름(310)은 기재롤(300)-코팅다이(330)-미터링롤(350)-건조장치(360)-권취롤(380) 단계로 이송되면서, 중간 중간에 가이드롤(도 3의 1~6)이 설치되어 있는데, 가이드롤(1~6)은 전단계에서 다음단계로 고분자 필름(310)이 이송되는데 있어 가이드(guide) 해주는 역할을 하는 것으로, 가이드롤(1~6)의 위치 및 갯수는 필름 캐스팅 장치를 어떻게 설계하느냐에 따라 달라질 수 있다.
<막-전극 접합체 및 연료전지>
도 4는 상기의 방법에 의해 제조된 양이온 전도성 고분자 복합막을 이용하여 제조된 막-전극 접합체(Membrane-Electrode assembly; MEA)를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 막-전극 접합체(40)는 양이온 전도성 고분자복합막(400), 고분작 복합막(400)의 양면에 증착 코팅된 촉매층(410, 410'), 및 촉매층(410, 410')의 양면에 배치되는 기체확산층(420, 420')을 포함한다.
촉매층(410, 410')은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 또는 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속) 중에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 촉매를 단독으로, 또는 카본블랙(carbon black)과 혼합하여 제조되거나 상기 촉매를 카본 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 그리고 촉매층용 슬러리를 제조할 경우에는 상기의 촉매를 양이온 전도성 고분자(Ionomer)에 분산시켜 슬러리를 만들 수 있다.
촉매층(410, 410')의 양면에는 기체확산층(gas diffusion layer; GDL)(420, 420')이 배치된다.
기체확산층(420, 420')은 외부로부터 공급되는 연료기체(메탄올, 수소) 및 산소기체를 상기 촉매층(410, 410')에 원활히 공급하여 촉매-전해질막-기체의 삼상계면의 형성을 돕는 역할을 하는 것으로서, 탄소지(carbon paper) 또는 탄소 천(carbon cloth)으로 제조하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 촉매층(410, 410')과 기체확산층(420, 420') 사이에 연료기체 및 산소기체의 확산을 돕기 위해서, 미세기공층(micro porous layer; MPL)(421,421')을 더 포함할 수도 있다.
도 5는 상기의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 모식적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 연료전지는(5)는 막-전극 접합체(40) 및 상기 막-전극 접합체의 양면에 배치되는 바이폴라 플레이트(bypolar plate; 50)를 포함한다.
이하에서는 본 발명의 실시예들에 따른 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액 및 이를 이용한 고분자 복합막의 제조방법에 의해 제조되는 고분자 복합막에 의할 경우 메탄올 투과도가 낮고, 이온전도도와 기계적 물성이 매우 우수하다는 것을 구체적인 실시예들을 들어 설명한다.
다만, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
< 실시예 1>
Nafion 디스퍼션(Dispersion)(EW 1100, Dupont사)을 불용성 용매에 침전후 진공 건조하여 Nafion 고분자 파우더(Powder)만을 얻은 후, Nafion 고분자 파우더 100 중량부를 고비점 용매인 NMP와 저비점 용매인 DMAc를 1:2.3의 무게비로 각각 혼합한 공용매 220 중량부에 녹여 31.7 중량%의 농도를 가지는 Nafion 용액을 제조하였다.
여기에 2 중량부의 술폰화 몬트모릴로나이트(sMMT)를 혼합하여 분산하여 양이온 전도성 고분자 복합막용 코팅액 슬러리를 제조하였다.
이를 100 um의 PET 필름 위에 다이 코터(Die-Coater)를 이용하여 필름 캐스팅하고 열풍 건조 장치에서 100℃~150℃ 온도에서 8분간 용매를 제거하여 PET 표면에 두께 80㎛의 양이온 전도성 고분자 복합막을 형성하였다.
추가적으로 잔류 용매를 제거하기 위하여 120℃의 온도에서 1일간 진공 건조를 실시한 다음, 이 고분자 복합막을 1M의 황산 수용액에 함침하여 95℃ 온도에서 2시간 유지한 후, 비이온 수(DI. Water)로 세척하는 산처리 공정을 실시시하여, 최종적으로 양이온 전도성 고분자 복합막을 제조하였으며, 하기에 언급한 방법으로 평가하였으며 그 평가 결과를 [표 1]에 제시하였다.
< 실시예 2>
NMP:DMAc의 무게비가 1:9인 공용매 220 중량부를 사용하고 5중량부의 sMMT를 분산한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양이온 전도성 고분자 복합막을 제조하였다. 그리고 아래 제시된 셀 평가법에 따라 막-전극 조립체를 제작한 후 단위 전지 셀의 성능 평가를 수행하였으며, 그 평가 결과를 [표 1]과 [도 6]에 제시하였다.
< 실시예 3>
NMP:DMAc의 무게비가 1:9인 공용매를 245 중량부로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
< 비교예 1>
용매로 공용매를 사용하지 않고 DMAc를 단독으로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
< 비교예 2>
용매로 공용매를 사용하지 않고 NMP를 단독으로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다
< 비교예 3>
Nafion 용액에 sMMT를 혼합하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
< 비교예 4>
양이온 전도성 고분자막으로 Dupont사의 상용제품인 Nafion 115(N115)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 실시하였다.
2. 물성의 평가 및 단위 전지 셀 성능 평가
(1) 메탄올 투과도(Permeability)
물 저장부(reservoir)와 3M 농도의 MeOH 저장부로 구성된 확산 셀(diffusion cell)을 이용하여 상온에서 MeOH 저장부 측에서 물 저장부로 확산되는 MeOH의 단위시간당 몰농도 변화(dC/dt)를 측정하여 아래의 식과 같이 계산하여 MeOH 투과도(Permeability)를 측정하였다. 이때, MeOH 저장부의 초기 몰농도를 3M로 하여 측정하였다.
P= (△CB/△t)(1/CAi)(L/A)VB
(△CB / △t : 시간당 몰농도 변화, CAi : MeOH resevoir의 초기 몰농도, L : membrane 두께, A : membrane 면적, VB : water reservoir의 부피)
(2) 이온전도도(Conductivity)
4-point probe method를 이용하여, 측정 셀(Cell)을 물(D.I. water)에 침지후 상온조건에서 Impedance Analyze로 측정함. Complex plane에서 실수 축을 지나가는 지점의 값이 양이온 전도성 고분자 막의 저항 값이며 이를 이용하여 이온 전도도를 구하였다.
σ = (1/R)(L/A)
(R : 저항, A : membrane 단면적, L : potental을 측정하는 W.E.와 C.E.간의 거리)
(3) 기계적 물성
양이온 전도성 고분자 막의 인장강도는 Tinius Olsen사의 H5K-T UTM으로 측정하였다. 각 고분자 막의 측정 시편은 건조된 후 폭 5mm, 길이 30mm 로 제작되었고 시편을 잡는 양쪽의 그립(Grip)간 간격이 10mm, 시편을 당기는 속도는 50mm/min.으로 설정하여 인장강도를 측정하였다.
(4) 코팅액의 점도
TA Instrument사의 AR-2000 Rheometer를 사용하여 각 코팅액의 점도를 0.1~10 sec-1 shear rate 범위에서 측정하였다. 이때 사용한 스핀들(Spindle)은 콘(Cone) 타입으로 직경이 60 mm이며 콘의 경사각은 2ㅀ이다. 그리고 측정시 온도는 25℃로 유지하였다.
(5) 단위 전지 셀 성능 평가
PtRu 블랙 촉매(HiSpec 6000, Johnson Matthey사)를 5mg/cm2 으로 스프래이(Spray) 코팅한 가스확산층을 음극으로 하고, Pt 블랙 촉매 (HiSpec 1000, Johnson Matthey사)를 5mg/cm2 으로 스프래이(Spray) 코팅한 가스확산층을 양극으로 하여 양이온 전도성 고분자막과 함께 열간 압축(Hot-pressing)하여 MEA를 제작하였다.
이와 같이 제작된 MEA를 Semi-passive DMFC에 적용하여 단위 셀의 성능평가 를 수행하였다. 양극에는 공기가 대기 중에서 별도의 장치없이 공급되고 음극에는 1M 메탄올을 마이크로플로우(microflow) 펌프를 이용하여 3 스토이키오메트리(stoichiometry)로 공급하며, 단위 셀의 온도는 30℃로 유지하였다. I-V 곡선과 0.35V에서의 단위 셀의 옴 저항(Ohmic Resistance)을 얻었다. 옴 저항은 Hioki 3560(HiTester사)을 사용하여 1kH의 주파수에서 측정되었다.
Figure 112007009270830-pat00001
이상 첨부된 도면 및 표를 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 실시예에 따른 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액 및 이를 이용하여 제조한 양이온 전도성 고분자 복합막에 의하면 종래에 주로 사용하였던 Nafion 115에 비하여 메탄올의 투과도는 낮으면서 이온전도도에 있어서는 동등한 수준을 가지는 물성을 나타내었다. 이러한 양이온 전도성 고분자 복합막을 이용하여 막-전극 조립체를 가지고 연료전지를 제조한 후 옴 저항과 전력밀도를 측정한 결과 우수한 물성을 지닌 연료전지를 얻을 수 있었다.

Claims (16)

  1. 양이온 교환기를 가지는 고분자 100 중량부에 대하여;
    술폰화 된 클레이 1~10 중량부; 및
    180~250℃의 비점을 가지는 고비점 용매와 100~180℃의 비점을 가지는 저비점 용매가 혼합되어 있는 공용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 코팅액은
    180~250℃의 비점을 가지는 고비점 용매와 100~180℃의 비점을 가지는 저비점 용매가 1:20 ~ 1:1.5의 무게비로 혼합되어 있는 공용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 코팅액이 1,000 ~ 5,000cPs의 점도를 가지는 것을 특징으로 하는 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 양이온 교환기를 가지는 고분자는 측쇄에 양이온 교환기를 가지는 불소계 고분자, 폴리술폰(Polysulfone)계 고분자, 폴리아릴에테르설폰(Polyaryl ether sulfone)계 고분자, 폴리포스파젠(Polyphosphazene)계 고분자, 폴리에테르케톤(Poly-etherketone)계 고분자, 폴리아릴에테르케톤(Polyaryl ether ketone)계 고분자, 폴리프탈라지논에테르케톤(Poly(phthalazinone ether ketone))계 고분자, 폴리이미드(Polyimide)계 고분자, 폴리벤즈이미다졸(Polybenzimidazole)계 고분자, ABS(Acrylonitrile-butadiene-styrene)계 고분자, SBR(Styrene-butadiene rubber)계 고분자, 폴리 스티렌(Polystyrene)계 고분자, 폴리올레핀(Polyolefin)계 고분자, 폴리카보네이트(Polycarbonate)계 고분자, PET(Poly ethylene terephthalate)계 고분자, PEN(Poly ethylene naphthalate)계 고분자, 아크릴(Acryl)계 고분자 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 양이온 교환기는 술폰산기, 포스폰산기, 황산기, 인산기, 카르복실산기, 술폰이미드기 중 하나 또는 두 개 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 술폰화 된 클레이는 몬트모릴로나이트(Montmorillonite), 일라이트(Illite), 카올리나이트(Kaolinite), 버미큘라이트(Vermiculite), 스멕타이트(Smectite), 헥토라이트(Hectorite), 마이카(Mica), 벤토나이트(Bentonite), 논트로나이트(Nontronite), 사포나이트(Saponite), 제올라이트(Zeolite), 알루미나(Alumina), 루타일(Rutile) 및 탈크(Talc) 중 선택되는 하나 또는 두 개 이상의 클레이에 술폰산이 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고비점 용매는 N-메틸-2-피롤리딘(N-methyl-2-pyrrolidinone(NMP)), 디메틸 술폭사이드(dimethyl sulfoxide(DMSO)), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol(EG)) 중 하나 또는 두 개 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액.
  8. 제 1 항에 있어서,
    저비점 용매는 N,N-디메틸 아세트아미드(N,N-dimethyl acetamide(DMAc)), 디메틸포르마이드(dimethylformamide(DMF)), 사이클로펜타논(Cyclopentanone), 물(H2O) 중 하나 또는 두 개 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 양이온 전도성 고분자 복합막용 코팅액.
  9. (a) 상기 제 1 항 내지 제 8 항의 코팅액을 고분자 필름의 일면에 코팅하여 코팅막을 형성해 주는 단계;
    (b) 상기 코팅막에 포함되어 있는 저비점 용매를 주로 제거해주는 1차 건조단계; 및
    (c) 상기 코팅막에 포함되어 있는 고비점 용매를 주로 제거해주는 2차 건조단계;를 포함하는 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 테이프 캐스팅(tape casting, doctor blade)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 고분자 필름은 PET (Poly(ethylene terephthalate))계 필름, PEN(Poly (ethylene naphthalate))계 필름, PC(Polycarbonate)계 필름, 테프론(Teflon)계 필름, 폴리이미드(Polyimide)계 필름, 폴리올레핀(Polyolefin)계 필름, 이형물질이 표면 처리된 필름 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 제조되는 코팅막의 두께는 10㎛ ~ 3mm 인 것을 특징으로 하는 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 코팅막은 다이코터, 콤마코터, 블레이드 코터, 그라비아 코터 중 선택되는 하나의 코터를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후에는,
    (d)건조된 상기 코팅막을 권취하는 단계를 더 포함하며, 상기 (a) ~ (d) 단 계는 건조 장치의 길이/라인 주행 속도가 2~20이 되는 조건으로 진행되는 것을 특징으로 하는 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법.
    (이때, 건조 장치의 길이의 단위는 m 이고, 라인 주행 속도의 단위는 m/min.이다.)
  15. 제 9 항 내지 제 14 항의 방법에 의해 제조되는 양이온 전도성 고분자 복합막;
    상기 양이온 전도성 고분자 복합막의 양면에 증착 코팅된 촉매층; 및
    상기 촉매층의 양면에 배치되는 기체확산층을 포함하는 막-전극 접합체.
  16. 제 15 항의 막-전극 접합체; 및
    상기 막-전극 접합체의 양면에 배치되는 바이폴라 플레이트(bypolar plate)를 포함하는 연료전지.
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