KR101093703B1 - 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서에서는 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC)에 의해 측정되는 결정 융해 엔탈피가 67.3 J/g 이상인 것으로 대표되는 결정화도를 가지는 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법이 제공된다.
고분자 전해질막, 시차주사열량계, 결정화도, 연료전지

Description

연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법{POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL SYSTEM AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
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.
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 내지 10 배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.
연료 전지의 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 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 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.
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.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 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 "환원전극"이라 한다)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
본 발명의 일 구현예는 치수안정성, 기계적 특성 및 이온전도도가 우수한 연료전지용 고분자 전해질막을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 구현예는 상기 막-전극 어셈블리를 포함하여 우수한 전력밀도를 가지는 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 구현예는 상기 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 구현예는 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC)에 의해 측정되는 결정 융해 엔탈피가 67.3 J/g 이상인 것으로 대표되는 결정화도를 가지는 연료전지용 고분자 전해질막을 제공한다.
또한, 상기 연료전지용 고분자 전해질막은 시차주사열량계 측정 결과, 125 내지 200 ℃ 범위에서 발열피크를 가지는 것일 수 있다. 또한, 상기 연료전지용 고분자 전해질막은 CuKα선을 사용한 광각 X-선 회절 스펙트럼(wide-angle X-ray diffraction spectrum)의 분석 결과, 20 내지 23 도(°) 범위의 회절각도(2θ)에서 XRD 피크를 보일 수 있고, 특히, 상기 연료전지용 고분자 전해질막은 16 내지 18 도 범위의 회절각도(2θ)에서 보이는 XRD 피크 강도(N)에 대한, 20 내지 23 도 범위의 회절각도(2θ)에서 보이는 XRD 피크 강도(H)의 비율(H/N)이 0.3 내지 0.9 범위일 수 있다. 또한, 상기 연료전지용 고분자 전해질막은 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 및 다가알코올을 포함하는 혼합물로부터 얻어지는 것을 사용할 수 있다. 특히, 상기 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 포함하는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말일 수 있고, 상기 다가알코올은 용해도 상수가 8 내지 24 (cal/cm3)1/2 범위인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 및 다가알코올을 혼합하여 클러스터를 제조하는 단계, 상기 클러스터를 건조하는 단계 및 상기 건조된 클러스터를 열처리하는 단계를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 클러스터는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 100 부피부에 대하여, 다가알코올을 10 내지 1000 범위의 부피부로 포함할 수 있고, 상기 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 포함할 수 있고, 상기 다가알코올은 용해도 상수가 8 내지 24 (cal/cm3)1/2 범위인 것일 수 있다. 또한, 상기 건조는 60 내지 80 ℃에서 수행할 수 있고, 상기 열처리는 100 내지 140 ℃ 범위에서 수행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예는 서로 대향하여 위치하는 캐소드 전극과 애노드 전극, 및 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 고분자 전해질 막은 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 구현예는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하고, 상기 전기 발생부는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 고분자 전해질 막은 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 고분자 전해질막의 치수안정성을 향상시키고, 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라, 연료의 물질전달 저항을 낮출 수 있다. 또한, 이온전도도를 향상시켜, 우수한 전력밀도를 가지는 막-전극 어셈블리 및 연료전지를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 　다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예는 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC)에 의해 측정되는 결정 융해 엔탈피가 67.3 J/g 이상인 것으로 대표되는 결정화도를 가지는 연료전지용 고분자 전해질막을 제공한다. 보다 구체적으로, 상기 결정 융해 엔탈피는 67.3 내지 130 J/g 범위인 것일 수 있다.
종래의 연료전지용 고분자 전해질막은 시차주사열량계 측정시, 결정화도를 나타내지 않았다. 이 경우 연료전지용 고분자 전해질막은 물에 의하여 쉽게 팽창하고, 연료전지용 고분자 전해질막의 치수안정성이 저하되는 문제점이 있었다. 그러나 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 고분자 사슬의 유동성(mobility)이 개선되고, 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 고분자에 결정화가 유도되는 것을 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC)에 의해 측정되는 결정 융해 엔탈피가 67.3 J/g 이상인 것으로부터 확인할 수 있다. 이로써, 연료전지용 고분자 전해질막은 치수 안정성뿐만 아니라 기계적 강도도 향상되는 것이다. 보다 구체적으로 상기 연료전지용 고분자 전해질막은 시차주사열량계 측정 결과, 125 내지 200 ℃ 범위에서 발열피크를 가지는 것일 수 있다.
상기 시차주사열량계의 측정 절차는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막을 건조한 상태에서, 25 ℃에서 300 ℃까지 5 내지 20 ℃/분의 속도로 온도를 상승시키면서 측정할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 추가적인 결정화가 유도된 것으로, 상기 연료전지용 고분자 전해질막은 CuKα선을 사용한 광각 X-선 회절 스펙트럼(wide-angle X-ray diffraction spectrum)의 분석 결과, 20 내지 23 도 범위의 회절각도(2θ)에서 XRD 피크를 보일 수 있다.
특히, 상기 연료전지용 고분자 전해질막은 16 내지 18 도 범위의 회절각도(2θ)에서 보이는 XRD 피크 강도(N)에 대한, 20 내지 23 도 범위의 회절각도(2θ)에서 보이는 XRD 피크 강도(H)의 비율(H/N)이 0.3 내지 0.9 범위인 것일 수 있다. 이 때, 상기 16 내지 18 도 범위의 회절각도(2θ)에서 보이는 XRD 피크는 수소 이온 전도성 고분자가 일반적으로 가지는 주피크(main peak)를 나타내는 것으로서, 상기 주피크의 피크 강도(N)에 대한, 20 내지 23 도 범위의 회절각도(2θ)에서 보이는 XRD 피크 강도(H)의 비율(H/N)이 0.3 내지 0.9 범위인 경우 본 발명의 일구현예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막이 추가적으로 결정화된 것을 보다 명확하게 확인할 수 있는 것이다.
상기 광각 X-선 회절 스펙트럼은 광원으로 CuKα선을 사용하고, 회절각도(2θ)를 1 내지 10 도(°)/분의 속도로 상승시키면서 측정할 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 및 다가알코올을 포함하는 혼합물로부터 얻어지는 것을 사용할 수 있다.
특히, 상기 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말은 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되고, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로부터 얻어진 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 　보다 구체적으로, 상기 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 포함하는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말일 수 있다.
또한, 상기 다가알코올은 용해도 상수가 8 내지 24 (cal/cm3)1/2 범위인 것일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 다가알코올은 용해도 상수가 9.5 내지 13 (cal/cm3)1/2 범위인 것일 수 있다. 이러한 상기 다가알코올은 고분자 사슬의 유동성(mobility)을 개선시켜 추가적인 결정화를 유도하는 역할을 수행하는 것으로, 상기 다가알코올의 보다 구체적인 예로는 글리세롤; 디프로필렌글리콜(dipropyleneglycol, DPG), 프로필렌글리콜 등과 같은 알킬렌글리콜; 프로필렌글리콜메틸에테르, 에틸렌글리콜디메틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르 등과 같은 알킬렌글리콜알킬에테르; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 이 때, 상기 "알킬렌"이라 함은 탄소수 1 내지 10의 알킬렌을 의미하고, "알킬"이라 함은 탄소수 1 내지 10의 알킬을 의미하는 것이다. 또한, 상기 다가알코올은 이소프로필알코올, 물과 같은 당분야에서 일반적으로 사용되는 수용성 용매와 함께 사용될 수 있음은 자명하다.
상기 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 고분자의 분말을 들 수 있고, 더 구체적으로는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리[(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸][poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole], 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 고분자의 분말을 들 수 있다.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자 분말의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 수소 이온 전도성 고분자 분말의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 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. 상기 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환된 수소 이온 전도성 고분자는 이후 촉매층의 황산 처리시 재술폰화되어 프로톤형으로 전환될 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 및 다가 알코올을 혼합하여 클러스터를 제조하는 단계, 상기 클러스터를 건조하는 단계 및 상기 건조된 클러스터를 열처리하는 단계를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법을 제공한다.
상기 클러스터는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 100 부피부에 대하여, 다가알코올을 10 내지 1000 범위의 부피부로 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 클러스터는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 100 부피부에 대하여, 다가알코올을 100 내지 1000 범위의 부피부로 포함할 수 있다.
상기 다가알코올은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막이 용이하게 결정화되도록 유도하는 역할을 하는 것으로, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 사슬의 유동성(mobility)을 개선할 수 있다. 이로써, 연료전지용 고분자 전해질막의 유연성(flexibility)이 개선되고 기계적 강도도 좋아지는 효과가 있다. 또한, 상기 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 및 다가알코올이 상기 부피비로 포함되는 경우, 이오노머 클러스터들 간의 과도한 응집을 방지하고, 형성된 이오노머 클러스터 응집체의 평균 입경을 5 내지 300 nm 범위로 유지하여 연료의 크로스오버를 효과적으로 줄일 수 있다.
또한, 연료전지용 고분자 전해질막을 설명하면서 기재한 바와 같이, 상기 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 포함할 수 있고, 상기 다가알코올은 용해도 상수가 8 내지 24 (cal/cm3)1/2 범위인 것을 사 용할 수 있다.
또한, 상기 클러스터는 용매를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 용매는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 및 다가알코올을 혼합할 때, 동시에 첨가하여 혼합할 수도 있고, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 및 다가알코올을 충분히 혼합한 이후에 첨가하여 혼합할 수도 있다. 상기 용매는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 100 부피부에 대하여, 10 내지 900 범위의 부피부로 포함할 수 있다. 특히, 다가알코올; 및 용매는 50 내지 90: 10 내지 50의 부피비로 포함되는 것이 좋고, 보다 구체적으로, 70 내지 90: 10 내지 30의 부피비로 포함되는 것이 좋다.
이러한 용매의 종류로는 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 물, 이소프로필알코올(isopropylalcohol, IPA) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 이 때, 상기 "물"이라 함은 불순물이 실질적으로 제거된 물로서, 증류수(distilled water), 탈이온수(deionized water) 등을 포함할 수 있다.
상기 연료전지용 고분자 전해질막, 상기 연료전지용 고분자 전해질막을 구성하는 성분의 종류 및 물성은 상기 연료전지용 고분자 전해질막을 설명하면서 기재된 바와 같다.
상기 건조는 고분자 전해질 막의 갈변 그리고 다가 알코올의 제거를 고려하여, 60 내지 80 ℃의 오븐에서 수행하는 것이 좋다. 또한, 상기 건조는 진공 또는 불활성 가스의 분위기에서 수행하는 것이 좋다. 상기 불활성 가스라 함은 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 아르곤 가스와 같은 18족 가스 또는 질소 가스 등을 예로 들 수 있다.
상기 열처리는 고분자 전해질 막의 등온 결정화 현상의 극대화를 위하여 100 내지 140 ℃ 범위에서 수행하는 것이 좋다. 또한, 상기 열처리는 진공 분위기에서 수행하는 것이 좋다.
이로써, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 단순한 열처리만으로도 결정화가 유도되어 연료전지용 고분자 전해질막의 치수안정성을 향상시키고, 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라, 연료의 물질전달 저항을 낮출 수 있다. 또한, 이온전도도를 향상시켜, 우수한 전력밀도를 가지는 막-전극 어셈블리 및 연료전지를 제공할 수 있는 것이다.
연료 전지에서 고분자 전해질 막은 애노드 전극 및 캐소드 전극을 전기적으로 분리하는 절연체이나, 전지 작동 중에 애노드 전극으로부터 캐소드 전극으로 수소 이온을 전달하는 매개체로 작용하며, 반응 기체 또는 액체를 분리하는 역할을 동시에 수행한다.
따라서, 고분자 전해질 막은 전기화학적 안정성이 우수해야 하고, 고전류 밀도에서 저항 손실(ohmic loss)이 적어야 하며, 전지 작동 중에 반응물의 분리능이 우수하여야 할 뿐만 아니라 스택 구성을 위해서는 일정한 수준의 기계적 물성과 치수 안정성이 요구된다.
본 발명의 다른 일 구현예는 서로 대향하여 위치하는 캐소드 전극과 애노드 전극; 및 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 고분자 전해질 막은 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 고 분자 전해질막을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
상기 캐소드 전극 및 애노드 전극은 전극 기재와 촉매층을 포함할 수 있다.
상기 촉매층에서 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 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 더 좋다. 구체적인 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.
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. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용 화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.
상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 좋고, 보다 구체적으로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 더 구체적으로는 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, 더 구체적으로는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 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.
상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 양이온 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. 또한, 상기 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환된 수소 이온 전도성 고분자는 이후 촉매층의 황산 처리시 재술폰화되어 프로톤형으로 전환될 수 있다.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 좋다.
상기 비전도성 화합물로는 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 좋다.
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 금속으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
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 좋다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.
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.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알 킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 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.
본 발명의 또 다른 일 구현예는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하고, 상기 전기 발생부는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 고분자 전해질 막은 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.
본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있다.　 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
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.
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.
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.
상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.
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 스 택(15)을 구성한다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 　다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
<연료전지용 고분자 전해질막의 제조>
실시예 1
증류수 및 2-프로판올 용매에 5 중량% 나피온(폴리퍼플루오로술폰산)이 포함된 나피온(폴리퍼플루오로술폰산) 용액(Du Pont사)을 스프레이(spray) 건조법을 사용하여 평균 입경이 약 500 nm인 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말을 제조하였다. 이러한 방법으로 제조된 고분자 분말 100 부피부에 대하여, 디프로필렌글리콜 700 부피부 및 증류수 300 부피부를 첨가하여 클러스터를 제조하였다.
이어서, 상기 클러스터를 유리기판 위에 캐스팅하여, 약 80 ℃의 진공오븐에서 약 48 시간 동안 건조하였다. 상기 건조된 막을 약 120 ℃의 온도에서 24 시간 열처리하여 최종 연료전지용 고분자 전해질막을 제조하였다. 이 때, 상기 실시예 1에서 제조된 연료전지용 고분자 전해질막의 일부를 투과전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM)으로 관찰하여 도 2에 나타내었다.
도 2를 참고하면, 다가 알코올을 포함하는 실시예 1에 따른 연료전지용 고분 자 전해질막은 평균 입경이 약 280 nm인 이오노머 클러스터 응집체를 포함하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이로써, 이오노머 주쇄 사슬의 유동성을 높여 결정성을 향상시킬 수 있음을 예상할 수 있었다.
실시예 2
수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 100 부피부에 대하여, 디프로필렌글리콜 700 부피부 및 이소프로필알코올 300 부피부를 첨가하여 클러스터를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 고분자 전해질막을 제조하였다.
실시예 3
수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 100 부피부에 대하여, 디프로필렌글리콜 300 부피부 및 이소프로필알코올 700 부피부를 첨가하여 클러스터를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 고분자 전해질막을 제조하였다.
실시예 4
수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 100 부피부에 대하여, 디프로필렌글리콜 1000 부피부를 혼합하여 클러스터를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 고분자 전해질막을 제조하였다. 이 때, 상기 실시예 4에서 제조된 연료전지용 고분자 전해질막의 일부를 투과전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM)으로 관찰하여 도 3에 나타내었다.
도 3을 참고하면, 다가 알코올을 포함하는 실시예 4에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 평균 입경이 약 5 nm인 이오노머 클러스터 응집체를 포함하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이로써, 이오노머 주쇄 사슬의 유동성을 높여 결정성을 향상시킬 수 있음을 예상할 수 있었다.
비교예 1
상기 실시예에서 제조된 연료전지용 고분자 전해질막과의 특성을 비교하기 위하여 상용 나피온(폴리퍼플루오로술폰산) 211(Du Pont사)을 준비하였다. 이 때, 준비된 상기 상용 나피온(폴리퍼플루오로술폰산) 211막의 일부를 TEM 그리드(grid) 위에서 캐스팅한 후, 편광현미경 (polarization microscope)으로 관찰하여 도 4에 나타내었다.
도 4를 참고하면, 다가 알코올을 포함하지 않는 비교예 1에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에 대한 편광현미경 관찰 결과, 이오노머 클러스터 응집체는 관찰할 수 없었으며 얇은 투명한 막 형태로 관찰되었다.
비교예 2
상기 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 나피온(폴리퍼플루오로술폰산) 용액(Du Pont사)을 유리기판 위에 캐스팅하여, 약 80 ℃의 진공오븐에서 약 48 시간 동안 건조하였다. 상기 건조된 막을 약 120 ℃의 온도에서 24시간 열처리하여 최종 연료전지용 고분자 전해질막을 제조하였다.
실험예 1
1) 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC) (TA Instrument 2010 DSC): 연료전지용 고분자 전해질막 0.3 g을 시차주사열량계 내에 위치시키고, 상온에서 300 ℃까지 10 ℃/분의 속도로 가열한다. 이 때, 측정 결과는 도 5에 나타내었다. 또한 이로부터 얻어진 결정 융해 엔탈피는 하기 표 1에 나타내었다.
2) 광각 X-선 회절 스펙트럼(wide-angle X-ray diffraction spectrum) (40 Kv, 30 Ma, Model DMAX 2000; Rigaku Denki, Tokyo, Japan): 상온에서 10 도 /분의 속도로 5 내지 40 도의 범위에서 측정하였다. 이 때, 측정 결과는 도 6에 나타내었다. 또한, 17.5 도 범위의 회절각도(2θ)에서 보이는 XRD 피크 강도(N17.5)에 대한, 22.5 도 범위의 회절각도(2θ)에서 보이는 XRD 피크 강도(H22.5)의 비율(H22.5/N17.5)을 검토하여 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 다가 알코올
(부피부)		 용매
(부피부)		 결정 융해 엔탈피
(J/g)		 H22.5/N17.5
실시예 1 100 DPG (700) DW (300) 72.0 0.60
실시예 2 100 DPG (700) IPA (300) 67.3 0.60
실시예 3 100 DPG (300) IPA (700) 95.6 0.40
실시예 4 100 DPG (1000) (0) 92.3 0.72
비교예 1 상용 나피온 211
(Du Pont사)		 (0) (0) 결정피크 없음 0.16
비교예 2 100 (0) (0) 42 0.20
DPG: 디프로필렌글리콜(dipropyleneglycol)
DW: 증류수(distilled water)
IPA: 이소프로필알코올(isopropylalcohol)
상기 도 5, 도 6 및 표 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 이온 그룹의 응집을 최소화 할 수 있는 다가알코올을 포함하여 이오노머의 분산을 극대화함은 물론, 사슬의 유동성을 증가시킴으로써, 단순한 열처리만으로도 추가적 결정화가 유도되었음을 확인할 수 있었다.
<막-전극 어셈블리의 제조>
실시예 5 내지 8
탄소 담체에 담지된 Pt-Ru 촉매, 퍼플루오로설포네이트(상품명: Nafion) 바인더 및 이소프로필 알코올 용매를 포함하는 촉매 조성물을 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 필름 위에 코팅하였다. 상기 촉매 조성물을 코팅한 PTFE 필름을 실시예 1 내지 4에서 제조된 고분자 전해질막의 한 쪽면 위에 올려놓은 후 150 ℃로 고정된 Heating press를 이용하여 약 700 psi압력으로 3 분간 유지시켜 고분자 전해질 막으로 전사시켰다. 이 때, 상기 촉매 및 바인더의 혼합 비율은 64: 36 중량%로 하였다. 또한, 실시예 1 내지 4에서 제조된 고분자 전해질막의 다른 한 쪽면도 동일한 조건으로 상기 촉매 조성물을 코팅한 PTFE 필름을 고분자 전해질 막으로 전사시킴으로써, 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
비교예 3 및 4
상기 비교예 1 및 2에서 제조된 고분자 전해질 막을 이용하여 막-전극 어셈블리를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
실험예 2: 막-전극 어셈블리의 성능검토
실시예 5 내지 8 및 비교예 3, 4에서 제조된 막-전극 어셈블리의 양면에 가스 확산층(SGL사, 35BC)을 코팅하여 단위전지를 제조하였다. 수소와 공기를 사용하고, 약 60 ℃의 온도 조건 및 공급연료 당량비(Stoichiometry: 1.2/2.5 (anode/cathode))조건에서 연료전지 시스템을 작동시켰다.
이 결과, 상기 실시예 5 내지 8에 따른 막-전극 어셈블리를 포함하는 경우에는 비교예 3 및 4에 따른 막-전극 어셈블리를 사용하는 경우보다 우수한 출력밀도, 낮은 막 저항 및 낮은 수소 크로스오버를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지용 고분자 전해질막을 투과전자 현미경(TEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 4에 따른 연료전지용 고분자 전해질막을 투과전자 현미경(TEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1에 따른 상용 나피온 211(Du Pont사의 상품명) 막을 편광현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에 대한 시차주사열량계(DSC) 측정 결과 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에 대한 광각 X-선 회절 스펙트럼(wide-angle X-ray diffraction spectrum) 측정 결과 그래프를 나타낸 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 연료 전지 시스템 3: 전기 발생부
5: 연료 공급부 7: 산화제 공급부
9: 연료 탱크 11: 연료 펌프
13: 산화제 펌프 15: 스택
17: 막-전극 어셈블리 19, 19': 세퍼레이터

Claims (14)

  1. 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC)에 의해 측정되는 결정 융해 엔탈피가 67.3 J/g 이상인 것으로 대표되는 결정화도를 가지는 이오노머를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지용 고분자 전해질막은 시차주사열량계 측정 결과, 125 내지 200 ℃ 범위에서 발열피크를 가지는 것인 연료전지용 고분자 전해질막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지용 고분자 전해질막은 CuKα선을 사용한 광각 X-선 회절 스펙트럼(wide-angle X-ray diffraction spectrum)의 분석 결과, 20 내지 23 도 범위의 회절각도(2θ)에서 XRD 피크를 보이는 것인 연료전지용 고분자 전해질막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지용 고분자 전해질막은 16 내지 18 도 범위의 회절각도(2θ)에 서 보이는 XRD 피크 강도(N)에 대한, 20 내지 23 도 범위의 회절각도(2θ)에서 보이는 XRD 피크 강도(H)의 비율(H/N)이 0.3 내지 0.9 범위인 것인 연료전지용 고분자 전해질막.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지용 고분자 전해질막은 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 및 다가알코올을 포함하는 혼합물로부터 얻어지는 것인 연료전지용 고분자 전해질막.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지용 고분자 전해질막은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 포함하는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말; 및
    용해도 상수가 8 내지 24 (cal/cm3)1/2 범위인 다가알코올을 포함하는 혼합물로부터 얻어지는 것인 연료전지용 고분자 전해질막.
  7. 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 및 다가알코올을 혼합하여 클러스터를 제조하는 단계;
    상기 클러스터를 건조하는 단계; 및
    상기 건조된 클러스터를 열처리하는 단계를 포함하고,
    상기 다가알코올은 C1 내지 C10 알킬렌글리콜, 글리세롤, 프로필렌글리콜메틸에테르 및 에틸렌글리콜디메틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 클러스터는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말 100 부피부에 대하여, 다가알코올을 10 내지 1000 범위의 부피부로 포함하는 것인 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 분말은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 포함하는 것인 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 다가알코올은 용해도 상수가 8 내지 24 (cal/cm3)1/2 범위인 것인 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 건조는 60 내지 80 ℃에서 수행하는 것인 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 열처리는 100 내지 140 ℃ 범위에서 수행하는 것인 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
  13. 서로 대향하여 위치하는 캐소드 전극과 애노드 전극; 및
    상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며,
    상기 고분자 전해질 막은 제1항 내지 제6항 중에서 선택된 어느 한 항의 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  14. 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하고,
    상기 전기 발생부는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,
    상기 고분자 전해질 막은 제1항 내지 제6항 중에서 선택된 어느 한 항의 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
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