KR101125651B1 - A membrane/electrode assembly for fuel cell and a fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 상기 고분자 막/전극 접합체는 촉매층과 전극 지지체로 이루어진 애노드와 캐소드 전극; 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 막을 포함하고, 상기 고분자 막의 표면에 금속 불순물을 포집할 수 있는 킬레이트 관능기가 도입되어 있다. 상기 고분자 막은 연료전지의 작동중 연료전지의 각종 부재에서 녹아나오는 금속 불순물을 포집하여 연료전지의 전기화학 반응 효율을 개선할 수 있다.The present invention relates to a fuel cell polymer membrane / electrode assembly and a fuel cell comprising the same, wherein the polymer membrane / electrode assembly comprises: an anode and a cathode comprising a catalyst layer and an electrode support; And a polymer film positioned between the anode and the cathode electrode, and a chelate functional group capable of collecting metal impurities on the surface of the polymer film is introduced. The polymer membrane may collect metal impurities melted from various members of the fuel cell during operation of the fuel cell to improve the electrochemical reaction efficiency of the fuel cell.

연료전지, 금속불순물, 고분자막, 킬레이트관능기Fuel Cell, Metal Impurities, Polymer Membrane, Chelate Functional Group

Description

연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지{A MEMBRANE/ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND A FUEL CELL COMPRISING THE SAME}Polymer membrane / electrode assembly for fuel cell and fuel cell comprising same {A MEMBRANE / ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND A FUEL CELL COMPRISING THE SAME}

도 1은 고분자 막을 포함하는 연료전지의 작동상태를 보인 개략도이다.1 is a schematic view showing an operating state of a fuel cell including a polymer membrane.

도 2는 본 발명의 막-전극 접합체의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of the membrane-electrode assembly of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1: 연료전지 3: 애노드1: fuel cell 3: anode

5: 캐소드 7: 고분자 막5: cathode 7: polymer membrane

10: 막/전극 접합체 100, 100': 전극10: membrane / electrode assembly 100, 100 ': electrode

101, 101': 전극 지지체 103,103':촉매층101, 101 ': electrode support 103,103': catalyst layer

105,105': 미세기공층105,105 ': microporous layer

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 불순물을 포집할 수 있는 킬레이트 관능기가 도입되어 전기화학 반응 효율을 개선할 수 있는 연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer membrane / electrode assembly for a fuel cell and a fuel cell including the same, and more particularly, to a fuel cell polymer membrane capable of improving an electrochemical reaction efficiency by introducing a chelate functional group capable of collecting metal impurities. It relates to an electrode assembly and a fuel cell comprising the same.

[종래 기술]BACKGROUND ART [0002]

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 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.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.Fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte or alkaline fuel cells, etc., depending on the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, and the like.

이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), which is being developed recently, has superior output characteristics compared to other fuel cells, has a low operating temperature, fast start-up and response characteristics, and a mobile power source such as an automobile. Of course, it has a wide range of applications, such as distributed power supply for homes, public buildings and small power supply for electronic devices.

상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하 고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.Such a PEMFC basically includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to constitute a system. The stack forms the body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. The reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the hydrogen gas to the stack. The PEMFC thus feeds the fuel in the fuel tank to the reformer by operation of a fuel pump, reforming the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacting the hydrogen gas and oxygen in the stack to produce electrical energy. Generate.

도 1은 애노드(3), 캐소드(5), 및 고분자 전해질 막(7)을 포함하는 연료전지(1)의 작동상태를 개략적으로 보인 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 수소 가스 또는 연료가 상기 애노드(3)에 공급되면 전기화학적 산화반응이 일어나면서 수소이온 H+와 전자 e-로 이온화되면서 산화된다. 이온화된 수소이온은 고분자 전해질 막(7)을 통하여 캐소드(5)로 이동하고 전자는 외부회로를 통하여 캐소드(5)로 이동한다. 캐소드(5)로 이동한 수소 이온은 캐소드(5)로 공급되는 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시키고 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.FIG. 1 is a view schematically showing an operating state of a fuel cell 1 including an anode 3, a cathode 5, and a polymer electrolyte membrane 7. Referring to FIG. 1, when hydrogen gas or fuel is supplied to the anode 3, an electrochemical oxidation reaction occurs and is oxidized while being ionized with hydrogen ions H + and electrons e . Ionized hydrogen ions move to the cathode 5 through the polymer electrolyte membrane 7 and electrons move to the cathode 5 through an external circuit. The hydrogen ions transferred to the cathode 5 cause an electrochemical reduction reaction with oxygen supplied to the cathode 5 to generate heat of reaction and water, and electrical energy is generated by the movement of electrons.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)와 이의 양면에 밀착하는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 갖는다. 막/전극 접합체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 결합된 구조를 가진다. 상기 바이폴러 플레이트는 상기 각각의 막/전극 접합체를 분리하고 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소를 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할과, 각 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 바이폴러 플레이트를 통해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소 드 전극에는 산소가 공급된다. In such a fuel cell system, a stack that substantially generates electricity is stacked with several to several tens of unit cells including a membrane electrode assembly (MEA) and a bipolar plate closely attached to both surfaces thereof. Has a structure. The membrane / electrode assembly has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are coupled with an electrolyte membrane interposed therebetween. The bipolar plate separates the respective membrane / electrode assemblies and serves as a passage for supplying hydrogen gas and oxygen required for the reaction of the fuel cell to the anode electrode and the cathode electrode of the membrane / electrode assembly, and for each membrane / electrode assembly. It simultaneously serves as a conductor that connects the anode and cathode electrodes in series. Hydrogen gas is supplied to the anode electrode through the bipolar plate, while oxygen is supplied to the cathode electrode.

고분자 연료전지의 발전시스템에서는 고분자막/전극 접합체 (membrane/electrode assembly, MEA)의 성능이 발전 특성에 큰 영향을 미치게 되므로 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.In the power generation system of a polymer fuel cell, the performance of a polymer membrane / electrode assembly (MEA) has a great influence on the power generation characteristics.

본 발명은 목적은 연료전지의 작동중 연료전지의 각종 부재에서 녹아나오는 금속 불순물을 포집하여 연료전지의 전기화학 반응 효율을 개선할 수 있는 연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하기 위한 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell polymer membrane / electrode assembly capable of capturing metal impurities melted from various members of a fuel cell during operation of the fuel cell to improve the electrochemical reaction efficiency of the fuel cell, and a fuel cell including the same. It is to.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 촉매층과 전극 지지체로 이루어진 애노드와 캐소드 전극; 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 막을 포함하고, 상기 고분자 막의 표면에 금속 불순물을 포집할 수 있는 킬레이트 관능기가 도입되어 있는 연료전지용 고분자 막/전극 접합체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is an anode and cathode electrode consisting of a catalyst layer and an electrode support; And a polymer membrane positioned between the anode and the cathode, and a polymer membrane / electrode assembly for a fuel cell having a chelating functional group capable of collecting metal impurities on the surface of the polymer membrane.

본 발명은 또한, 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극중 어느 하나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴러 플레이트를 포함하고, 상기 고분자 막은 표면에 금속 불순물을 포집할 수 있는 킬레이트 관능기가 도입된 연료전지를 제공한다.The invention also includes at least one membrane / electrode assembly comprising an anode and a cathode electrode positioned opposite each other, and a polymer membrane positioned between the anode and the cathode electrode; And a bipolar plate having a flow channel for contacting any one of an anode and a cathode of the membrane / electrode assembly and supplying gas, wherein the polymer membrane has a fuel having a chelate functional group introduced therein to collect metal impurities on its surface. Provide a battery.

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

연료전지 시스템에서 개질기, 바이폴러 플레이트 등은 일반적으로 금속재로 이루어지므로 반응 가스가 이들을 통과하는 동안 금속 불순물이 발생할 수 있으며, 연료전지를 고온에서 장기간 운전하게 되면 전극 촉매에 사용되는 다양한 금속 성분이 녹아나와 불순물을 형성한다. 연료전지의 고분자 막은 수소이온 이외에 연료로 사용되는 가스에 대하여 불투과성을 가져야 하며, 연료전지의 장시간 작동중 녹아나올 수 있는 금속 불순물을 통과시키지 않아야 한다. In the fuel cell system, the reformer and bipolar plate are generally made of metal, so that metal impurities may occur while the reaction gas passes through them. If the fuel cell is operated for a long time at high temperature, various metal components used for the electrode catalyst may melt. To form impurities. The polymer membrane of the fuel cell should be impermeable to gases used as fuel in addition to hydrogen ions, and should not allow metal impurities that may melt during prolonged operation of the fuel cell.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 고분자 막으로 금속 불순물을 포집할 수 있는 킬레이트 관능기가 도입된 고분자를 사용한다. 상기 고분자로는 불소계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 케톤계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자, 이미드계 고분자 등이 사용될 수 있으며, 이들의 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리설폰, 폴리(퍼플루오로카르복실산), 폴리스티렌, 폴리페닐렌, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리이미드, 또는 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 등의 폴리벤즈이미다졸 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In order to solve this problem, the present invention uses a polymer having a chelate functional group introduced therein capable of collecting metal impurities into the polymer membrane. As the polymer, fluorine-based polymers, benzimidazole-based polymers, ketone-based polymers, ester-based polymers, amide-based polymers, imide-based polymers, etc. may be used. Specific examples thereof include poly (perfluorosulfonic acid) and polysulfone. , Poly (perfluorocarboxylic acid), polystyrene, polyphenylene, polyetheretherketone (PEEK), tetrafluoroethylene and fluorovinylether copolymer including sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyetherketone, Aryl ketones, polyimides, or poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) (polybenzimidazole (PBI)) (poly (2,2'- polybenzimidazole such as (m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole)) and poly (2,5-benzimidazole), and the like, but are not limited thereto.

상기 킬레이트 관능기로는 하기 화학식 1의 에틸렌 디아민 테트라아세트산(EDTA), 하기 화학식 2의 1,2-사이클로헥사디아민 테트라아세트산(CyDTA), 니트로트리아세트산(nitrilotriacetic acid; NTA) 등이 사 용될 수 있다. Ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA) of Formula 1, 1,2-cyclohexadiamine tetraacetic acid (CyDTA), nitrilotriacetic acid (NTA) of Formula 2 may be used as the chelate functional group.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112004029074077-pat00001
Figure 112004029074077-pat00001

[화학식 2] [Formula 2]

Figure 112004029074077-pat00002
Figure 112004029074077-pat00002

상기 금속 분술물을 포집할 수 있는 킬레이트 관능기는 고분자 막에 대하여 2 내지 10 몰%로 도입되는 것이 바람직하고 5 내지 10몰%로 도입되는 것이 더 바람직하다. 상기 킬레이트 관능기의 양이 2몰% 미만인 경우에는 금속 불순물 제거효과가 미미하고, 10 몰%를 초과하는 경우에는 수소이온 전도성을 저하시키는 문제점이 있어 바람직하지 않다. 또한 상기 킬레이트 관능기는 전극과 접촉하는 부위인 반응부에 위치하는 것이 바람직하다.The chelate functional group capable of collecting the metal fraction is preferably introduced at 2 to 10 mol%, more preferably at 5 to 10 mol% with respect to the polymer membrane. When the amount of the chelate functional group is less than 2 mol%, the effect of removing metal impurities is insignificant, and when the amount of the chelate functional group is more than 10 mol%, there is a problem of lowering the hydrogen ion conductivity, which is not preferable. In addition, the chelate functional group is preferably located in the reaction portion which is a portion in contact with the electrode.

상기 킬레이트 관능기는 성형된 고분자 막에 킬레이트 관능기를 직접 도입할 수도 있고 고분자에 킬레이트 관능기를 도입하여 이를 고분자 막으로 성형할 수도 있다. 상기 첫번째 방법은 고분자막을 킬레이트 관능기-함유 화합물을 포함하는 조성물에 함침시키는 방법이 이용될 수 있다. 두번째 방법은 고분자 용액에 킬레이트 관능기를 포함하는 화합물을 첨가한 후 이를 고분자 막으로 성형하는 방법을 예로 들 수 있다.The chelating functional group may directly introduce a chelating functional group into the molded polymer membrane or may introduce a chelating functional group into the polymer to form the polymer membrane. The first method may be a method of impregnating a polymer membrane into a composition comprising a chelate functional group-containing compound. The second method may be, for example, a method in which a compound including a chelating functional group is added to a polymer solution and then molded into a polymer membrane.

상기 고분자 막은 연료전지에서 캐소드와 애노드 사이에 위치하여 막/전극 접합체를 이룬다. 이러한 막/전극 접합체의 단면도를 도 2에 도시하였다. 도 2에서 보는 바와 같이 막/전극 접합체는 고분자 전해질막(110) 및 상기 고분자 전해질막(110)의 양면에 각각 배치되는 애노드 전극(100)과 캐소드 전극(100')을 포함한다. 상기 전극은 각각 전극 지지체(101,101')와 촉매층(103, 103')을 포함한다. The polymer membrane is positioned between the cathode and the anode in a fuel cell to form a membrane / electrode assembly. A cross-sectional view of this membrane / electrode assembly is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the membrane / electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane 110 and an anode electrode 100 and a cathode electrode 100 ′ disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 110, respectively. The electrodes include electrode supports 101 and 101 'and catalyst layers 103 and 103', respectively.

상기 전극 지지체(101, 101')는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 등이 사용될 수 있으며, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등으로 발수 처리하여 사용할 수 있다. 상기 전극 지지체는 고분자 막/전극 접합체를 지지하는 역할을 함과 아울러 고분자 막/전극 접합체에 반응기체를 확산시키는 기체 확산층(gas diffusion layer; GDL)의 역할을 한다.The electrode supports 101 and 101 'may be carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or the like, and may be used by water repellent treatment with polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like. Can be. The electrode support serves to support the polymer membrane / electrode assembly and also serves as a gas diffusion layer (GDL) for diffusing the reactant into the polymer membrane / electrode assembly.

상기 촉매층(103, 103')은 관련 반응(수소의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 증착하여 형성하는 것으로, 상기 금속 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-전이금속 합금 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 전이금속의 예로는 루테늄, 오스뮴, 크롬, 구리, 니켈 등이 있다. 이들 금속 촉매는 담체에 지지되어 사용되는 것이 바람직하다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연 등과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다.The catalyst layers 103 and 103 'are formed by depositing a so-called metal catalyst which catalyzes a related reaction (oxidation of hydrogen and reduction of oxygen), and the metal catalyst is platinum, ruthenium, osmium, or platinum-transition. Metal alloys and the like can be preferably used. Examples of the transition metal include ruthenium, osmium, chromium, copper, nickel and the like. These metal catalysts are preferably supported by a carrier and used. As the carrier, carbon such as acetylene black, graphite, or the like may be used, or inorganic fine particles such as alumina or silica may be used. In the case of using the noble metal supported on the carrier as a catalyst, a commercially available one may be used, or a noble metal supported on the carrier may be prepared and used.

본 발명의 연료전지용 막/전극 접합체는 상기 전극 지지체(101, 101')과 촉매층(103, 103') 사이에 기체 확산 효과를 증진시키기 위하여 미세 기공층(105, 105')(microporous layer)을 더 포함할 수 있다. 이러한 미세 기공층은 반응 기체를 균일하게 촉매층에 공급하고 촉매층에 형성된 전자를 전극 지지체에 전달하는 역할을 한다. 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 플러렌, 카본나노튜브, 카본나노혼(carbon nano horn), 카본나노와이어, 카본나노링(carbon nano ring) 등을 포함할 수 있다. The fuel cell membrane / electrode assembly of the present invention includes a microporous layer (105, 105 ') to enhance the gas diffusion effect between the electrode support (101, 101') and the catalyst layer (103, 103 '). It may further include. The microporous layer serves to uniformly supply the reaction gas to the catalyst layer and to transfer electrons formed in the catalyst layer to the electrode support. In general, conductive particles having a small particle size, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, fullerene, carbon nanotube, carbon nano horn, carbon nano wire, carbon nano ring And the like.

연료전지는 막/전극 접합체를 가스 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 바이폴러 플레이트 사이에 삽입하여 단위 전지를 제조하고, 이를 적층하여 스택을 제조한 후, 이를 두 개의 엔드 플레이트(end plate) 사이에 삽입하여 제조할 수 있다. 연료 전지는 이 분야의 통상의 기술에 의하여 용이하게 제조될 수 있다.The fuel cell inserts a membrane / electrode assembly between a gas flow channel and a bipolar plate on which a cooling channel is formed to manufacture a unit cell. It can be prepared by. Fuel cells can be readily manufactured by conventional techniques in the art.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 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 one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1) (Example 1)

Nafion 112 (제조사 듀퐁) 필름을 0.5M EDTA(Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate) 수용액에 24시간 함침시켜 EDTA 관능기가 도입된 고분자 막을 제조하였다. 상기 고분자 막을 애노드와 캐소드 사이에 넣고 압연하여 막/전극 접합체를 제조하였다. 상기 애노드와 캐소드는 백금이 담지된 탄소분말(Pt/C), 폴리테트라플루오로에틸렌 바인더 고분자 및 용매로 이소프로필 알코올을 혼합하여 제조한 촉매 슬러리를 탄소 페이퍼에 코팅하여 제조하였다. A Nafion 112 (manufactured DuPont) film was impregnated in 0.5M aqueous solution of ethyldiaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (EDTA) for 24 hours to prepare a polymer membrane into which EDTA functional groups were introduced. The polymer membrane was placed between an anode and a cathode and rolled to prepare a membrane / electrode assembly. The anode and the cathode were prepared by coating carbon paper with a catalyst slurry prepared by mixing isopropyl alcohol with a platinum-supported carbon powder (Pt / C), a polytetrafluoroethylene binder polymer and a solvent.

상기 제조된 막/전극 접합체를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴러 플레이트에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위셀을 제조하였다.The prepared membrane / electrode assembly is inserted between two gaskets, and then inserted into two bipolar plates in which a gas channel and a cooling channel of a predetermined shape are formed, and then compressed between copper end plates. The cell was prepared.

(실시예 2)(Example 2)

Nafion 112 (제조사 듀퐁) 용액과 0.5M EDTA(Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate) 수용액을 혼합하여 혼합용액을 만든 후 이를 필름으로 만들어 고분자 막을 제조한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 단위 셀을 제조하였다.A unit cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that a mixed solution was prepared by mixing Nafion 112 (manufactured DuPont) solution and 0.5M EDTA (Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate) solution to form a polymer film. It was.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

고분자막으로 나피온 112 필름을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 단위 셀을 제조하였다.A unit cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a Nafion 112 film was used as the polymer film.

상기 실시예 1과 2의 셀은 연료전지의 작동중 발생할 수 있는 금속 불순물을 고분자 막에 도입된 킬레이트 관능기가 포집하여 비교예 1에 비하여 약 20% 정도 반응효율이 증가되었음을 확인할 수 있었다.In the cells of Examples 1 and 2, it was confirmed that the reaction efficiency was increased by about 20% compared to Comparative Example 1 by collecting the chelate functional groups introduced into the polymer membrane, which may be generated during operation of the fuel cell.

본 발명의 고분자 막은 막의 반응부에 금속을 포집할 수 있는 관능기를 도입 함으로써 연료전지의 작동중 발생할 수 있는 금속 불순물을 제거하여 전지 효율을 우수하게 유지할 수 있다.In the polymer membrane of the present invention, by introducing a functional group capable of trapping metal in the reaction portion of the membrane, metal impurities which may occur during operation of the fuel cell may be removed, thereby maintaining excellent battery efficiency.

Claims (14)

촉매층과 전극 지지체로 이루어진 애노드와 캐소드 전극; 및 An anode and a cathode comprising a catalyst layer and an electrode support; And 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 막을 포함하고, It includes a polymer film located between the anode and the cathode, 상기 고분자 막의 표면에 금속 불순물을 포집할 수 있는 킬레이트 관능기가 도입되어 있고,The chelate functional group which can collect a metal impurity is introduce | transduced into the surface of the said polymer film, 상기 킬레이트 관능기는 고분자 막에 대하여 2 내지 10 몰%로 존재하는 연료전지용 고분자 막/전극 접합체.Wherein the chelate functional group is a polymer membrane / electrode assembly for a fuel cell is present in 2 to 10 mol% based on the polymer membrane. 제1항에 있어서, 상기 고분자는 불소계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 케톤계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자, 및 이미드계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 연료전지용 고분자 막/전극 접합체.The polymer membrane / electrode assembly of claim 1, wherein the polymer is at least one selected from the group consisting of a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a ketone polymer, an ester polymer, an amide polymer, and an imide polymer. . 제1항에 있어서, 상기 고분자는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리설폰, 폴리(퍼플루오로카르복실산), 폴리스티렌, 폴리페닐렌, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리이미드, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazoles, PBI)) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 퍼플루오로술포네이트, 폴리이미드, 폴리술폰, 폴리스티렌, 폴리페닐렌, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 아릴케톤, 폴리[2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸] (폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)), 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루 어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 연료전지용 고분자 막/전극 접합체.The method of claim 1, wherein the polymer comprises poly (perfluorosulfonic acid), polysulfone, poly (perfluorocarboxylic acid), polystyrene, polyphenylene, polyetheretherketone (PEEK), sulfonic acid group Tetrafluoroethylene and fluorovinylether copolymers, defluorinated sulfided polyetherketones, aryl ketones, polyimides, poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazoles) (Polybenzimidazoles (PBI)) (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole)), poly (2,5-benzimidazole) perfluorosulfonate, Polyimide, polysulfone, polystyrene, polyphenylene, polyetheretherketone (PEEK), arylketone, poly [2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole] (polybenz Polymer membrane / electrode assembly for fuel cells, which is at least one selected from the group consisting of imidazole (polybenzimidazole, PBI)), and poly (2,5-benzimidazole). 제1항에 있어서, 상기 킬레이트 관능기는 하기 화학식 1의 에틸렌 디아민 테트라아세트산(EDTA), 하기 화학식 2의 1,2-사이클로헥사디아민 테트라아세트산(CyDTA), 및 니트로트리아세트산(nitrilotriacetic acid; NTA)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 연료전지용 고분자 막/전극 접합체: The method of claim 1, wherein the chelate functional group is ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA) of formula 1, 1,2-cyclohexadiamine tetraacetic acid (CyDTA) of formula (2), and nitrilotriacetic acid (NTA) Polymer membrane / electrode assembly for at least one fuel cell selected from the group consisting of: [화학식 1][Formula 1]
Figure 112004029074077-pat00003
Figure 112004029074077-pat00003
[화학식 2] [Formula 2]
Figure 112004029074077-pat00004
Figure 112004029074077-pat00004
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 촉매층과 전극 지지체 사이에 미세 기공층을 더 포함하는 연료전지용 고분자 막/전극 접합체.The polymer membrane / electrode assembly of claim 1, further comprising a fine pore layer between the catalyst layer and the electrode support. 제6항에 있어서, 상기 미세 기공층은 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 플러렌, 카본나노튜브, 카본나노혼(carbon nano horn), 카본나노와이어, 카본나노링(carbon nano ring) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 분말을 포함하는 것인 연료전지용 고분자 막/전극 접합체.The method of claim 6, wherein the microporous layer is carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, fullerene, carbon nanotube, carbon nano horn (carbon nano horn), carbon nano wire, carbon nano ring (carbon nano ring) And a conductive powder selected from the group consisting of a mixture thereof. 서로 대향하여 위치하고 촉매층과 전극 지지체로 이루어진 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극중 어느 하나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴러 플레이트를 포함하고, At least one membrane / electrode assembly comprising an anode and a cathode electrode positioned opposite each other and composed of a catalyst layer and an electrode support, and a polymer membrane positioned between the anode and the cathode electrode; And a bipolar plate having a flow channel for supplying a gas in contact with one of an anode and a cathode of the membrane / electrode assembly. 상기 고분자 막은 표면에 금속 불순물을 포집할 수 있는 킬레이트 관능기가 도입되어 있고,The polymer membrane has a chelate functional group capable of collecting metal impurities on the surface thereof, 상기 킬레이트 관능기는 고분자 막에 대하여 2 내지 10 몰%로 존재하는 연료전지.The chelate functional group is present in the fuel cell is 2 to 10 mol% based on the polymer membrane. 제8항에 있어서, 상기 고분자는 불소계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 케톤계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자, 및 이미드계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 연료전지.The fuel cell of claim 8, wherein the polymer is at least one selected from the group consisting of a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a ketone polymer, an ester polymer, an amide polymer, and an imide polymer. 제8항에 있어서, 상기 고분자는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리설폰, 폴리(퍼플루오로카르복실산), 폴리스티렌, 폴리페닐렌, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리이미드, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 퍼플루오로술포네이트, 폴리이미드, 폴리술폰, 폴리스티렌, 폴리페닐렌, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 아릴케톤, 폴리[2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸] (폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)), 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 연료전지.The method of claim 8, wherein the polymer comprises poly (perfluorosulfonic acid), polysulfone, poly (perfluorocarboxylic acid), polystyrene, polyphenylene, polyetheretherketone (PEEK), sulfonic acid group Tetrafluoroethylene and fluorovinylether copolymers, defluorinated sulfided polyetherketones, aryl ketones, polyimides, poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazoles) (Polybenzimidazole (PBI)) (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole)), poly (2,5-benzimidazole) perfluorosulfonate, Polyimide, polysulfone, polystyrene, polyphenylene, polyetheretherketone (PEEK), arylketone, poly [2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole] (polybenz Imidazole (polybenzimidazole, PBI)), and poly (2,5-benzimidazole) is at least one selected from the group consisting of fuel cells. 제8항에 있어서, 상기 킬레이트 관능기는 하기 화학식 1의 에틸렌 디아민 테트라아세트산(EDTA), 하기 화학식 2의 1,2-사이클로헥사디아민 테트라아세트산(CyDTA) 및 니트로트리아세트산(nitrilotriacetic acid; NTA)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 연료전지: The method according to claim 8, wherein the chelate functional group is composed of ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA) of Formula 1, 1,2-cyclohexadiamine tetraacetic acid (CyDTA) of formula (II) and nitrilotriacetic acid (NTA). At least one fuel cell selected from the group: [화학식 1][Formula 1]
Figure 112004029074077-pat00005
Figure 112004029074077-pat00005
[화학식 2] [Formula 2]
Figure 112004029074077-pat00006
Figure 112004029074077-pat00006
삭제delete 제8항에 있어서, 상기 촉매층과 전극 지지체 사이에 미세 기공층을 더 포함하는 연료전지.The fuel cell of claim 8, further comprising a fine pore layer between the catalyst layer and the electrode support. 제13항에 있어서, 상기 미세 기공층은 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 플러렌, 카본나노튜브, 카본나노혼(carbon nano horn), 카본나노와이어, 카본나노링(carbon nano ring) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 분말을 포함하는 것인 연료전지.The method of claim 13, wherein the fine pore layer is carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, fullerene, carbon nanotube, carbon nano horn (carbon nano horn), carbon nano wire, carbon nano ring (carbon nano ring) And a conductive powder selected from the group consisting of a mixture thereof.
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