KR101315671B1 - 연료전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 연료전지 - Google Patents

연료전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 고분자 전해질 막, 그를 포함하는 막 전극 접합체 및 연료전지에 관한 것으로서, 수소이온 전도성을 가진 탄화수소계 양이온 교환수지 기재에 친수성 탄소계 물질이 분산되어 있고, 상기 친수성 탄소계 물질은 탄소(C) 원소와 산소(O) 원소를 포함하는 조성으로 층상 구조로 이루어진 연료전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 연료전지를 제공한다. 또한, 상기 고분자 전해질 막을 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면 친수성 탄소계 물질을 수소이온 전도성 탄화수소계 양이온 교환수지에 혼합 사용함으로써 연료전지의 성능을 향상시키면서, 기계적 물성 및 장기 내구성이 향상된 고분자 전해질 막을 제공할 수 있으며, 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지를 제공할 수 있다.

Description

연료전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 연료전지 {Polymer Electrolyte Membrane for Fuel Cell, Membrane Electrode Assembly and Fuel Cell Including the Same}
본 발명은 수소이온 전도성을 가진 탄화수소계 양이온 교환수지 기재에 친수성 탄소계 물질이 분산되어 있고, 상기 친수성 탄소계 물질은 탄소(C) 원소와 산소(O) 원소를 포함하는 조성으로 층상 구조로 이루어진 연료전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소, 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
고분자 전해질 연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막-전극 접합체(MEA)로서, 이는 고분자 전해질 막과 고분자 전해질 막 양면에 형성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1 및 반응식 1(수소를 연료로 사용한 경우의 연료전지의 반응식)을 참조하면, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소이온 및 전자가 발생하고, 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서는 산소(산화제)와 고분자 전해질 막을 통해 전달된 수소이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
[반응식 1]
애노드 전극: H2 → 2H+ + 2e-
캐소드 전극: 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체 반응식: H2 + 1/2O2 → H2O
이러한 반응에서, 상기 고분자 전해질 막은 온도와 수화(hydration) 정도에 따라 15 내지 30%의 막두께 변화와 체적 변화를 수반하고, 특히, 3 내지 50 중량%의 메탄올 연료에 의해서는 최대 200% 이상 체적 변화가 발생한다. 이에 연료전지 운전 조건에 따라 전해질 막은 팽윤과 수축을 반복하게 되며, 이러한 체적변화로 인하여 고분자 전해질 막에서 고분자 사슬의 얽힘이 풀리면서 기계적 강도가 줄어 들고, 미세 구멍이나 균열이 발생하게 된다. 이러한 미세 구멍이나 균열을 통해 수소 또는 메탄올 크로스오버(crossover)가 발생하여 연료전지의 내구성이 저하되는 주요 원인이 되고 있다.
이러한 이유로 상기 고분자 전해질 막으로는 전도성, 기계적 물성 및 내화학성이 우수한 퍼플루오로설폰산 수지(상품명: Nafion)로 제조된 퍼플루오로설폰산 수지막이 주로 사용되고 있다. 그러나, 상기 퍼플루오로설폰산 수지는 가격이 비싸다는 문제로 인하여, 연료전지의 제조 단가를 상승시키는 원인이 되고 있다.
이에 상기 퍼플루오로설폰산 수지 등과 같은 불소계 전해질 막에 비하여 상대적으로 저렴한 탄화수소계 전해질 막에 대한 관심이 높아지고 있다. 탄화수소계 전해질 막은 일반적으로 불소계 전해질 막 대비 상대적으로 낮은 기체 투과도로 인해 실제 연료전지 운전에서 기체 투과로 생성되는 부산물에 의한 화학적 내구성 저하는 적은 편이다. 그러나, 일반적인 탄화수소계 전해질 막은 가습 상황의 변화에 따른 체적 변화가 크고, 부서지기 쉬운 물성을 가지므로, 실제 연료전지 운전에서 기계적 내구성을 확보하기가 어렵다는 문제를 내포하고 있다. 일례로 전해질 막의 기계적 내구성을 평가하는 대표적인 방법인 가습과 무가습을 반복하는 사이클 실험에서 탄화수소계 막은 매우 취약한 경향을 보인다.
또한, 일반적으로 연료전지용 고분자 전해질 막의 내구성을 보강하기 위하여, 전해질 막 수지 자체를 개선하거나 다공성 기재에 전해질 막 수지를 채우는 방식이 시도되고 있다. 그러나, 전해질 막 자체의 강도를 높이는 경우, 일반적으로 이온 교환능력이 떨어지며, 다공성 기재에 채우는 방식은 내구성 향상의 효과는 있으나 공정상에 어려움이 많고, 원재료 가격이 상승하는 문제를 가지고 있다. 특히, 탄화수소계 전해질 막 수지의 경우는 가습 상황의 변화에 따른 체적 변화가 커서, 상기 다공성 기재를 적용한 방식에서도 내구성의 향상 효과가 크지 않다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결하려는 노력이 관련 분야에서 꾸준하게 이루어져 왔으며, 이러한 기술적 배경 하에서 본 발명이 안출되었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 친수성 탄소계 물질을 포함함으로써, 기존의 연료전지용 고분자 전해질 막에 대해 기계적 성질을 개선하고 연료전지의 성능을 향상시키는 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 연료전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수소이온 전도성을 갖는 탄화수소계 양이온 교환수지 기재에 친수성 탄소계 물질이 분산되어 있고, 상기 친수성 탄소계 물질은 탄소(C) 원소와 산소(O) 원소를 포함하는 조성으로 층상 구조로 이루어진 연료전지용 고분자 전해질 막을 제공한다.
상기와 같이, 수소이온 전도성을 갖는 탄화수소계 양이온 교환수지 기재에 친수성 탄소계 물질이 분산되어 있는 경우, 친수성 탄소계 물질이 탄화수소계 양이온 교환수지의 팽윤 및 수축시에 같이 연동함으로써 체적 변화에 의한 스트레스를 줄일 수 있고, 친수성기의 존재로 인해 낮은 가습 상태에서도 수분 손실에 의한 수축 정도를 줄일 수 있으며, 수분에 노출된 상황에서 인장 강도를 향상할 수 있다. 또한, 상기 친수성 탄소계 물질에 의한 추가적인 수소이온 전도 채널이 형성됨으로써 순수 고분자 전해질 막에 비하여 단위전지 운전에서 보다 향상된 성능을 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질 막에서, 상기 수소이온 전도성을 갖는 탄화수소계 양이온 교환수지와 친수성 탄소계 물질의 혼합 비율은 중량비로 99.99 : 0.01 내지 95 : 5의 범위인 것이 바람직하다. 상기 친수성 탄소계 물질의 함량이 너무 적은 경우에는 소망하는 수준으로 물성의 향상을 도모하기 어렵고, 반대로 너무 많은 경우에는 전해질 막 제조시 수용액 상태로 첨가하므로 H2O가 고분자의 비용매로 작용하여 고분자 용액이 겔화되기 쉽다는 공정상 문제뿐만 아니라 부분적으로 친수성 탄소계 물질이 응집되어 전기적으로 절연성을 띄어야 할 전해질 분리막이 도전성을 나타내어 애노드와 캐소드의 전기적 단락을 유발할 수 있으므로 바람직하지 않다. 상기와 같은 이유로, 친수성 탄소계 물질은 전해질 막 전체량을 기준으로 0.01 내지 1 중량%로 함유되는 것이 더욱 바람직하고, 0.02 내지 0.1 중량%로 함유되는 것이 특히 바람직하다.
상기 수소이온 전도성을 갖는 탄화수소계 양이온 교환수지는, 예를 들어, 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 양이온 교환기를 가지는 고분자일 수 있다.
이들의 구체적인 예로는, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 그 중에서도 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 또는 이들의 혼합물이 더욱 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 친수성 탄소계 물질은, 예를 들어, C : O의 조성 비율이 2.1 : 1 내지 2.9 : 1일 수 있다. 상기 비율 범위를 벗어나는 경우, 층상 구조의 유지가 어려울 수 있거나, 친수성이 충분하지 못하여 원하는 성능 향상을 기대하기 어려울 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 친수성 탄소계 물질은 탄소 원소와 산소 원소를 포함하면서 친수성을 나타내는 층상 구조라면 어느 형태라도 가능할 수 있는 바, 예를 들어, 그라파이트의 층상 구조를 가질 수 있다. 그라파이트는 육각 링을 형성하는 탄소가 층상으로 존재하는 구조이다. 상기 친수성 탄소계 물질은 산소 원자로 인하여 일반적인 그라파이트 층상 구조에 비하여 크고 불규칙적인 내부 공간을 가질 수 있다.
상기 친수성 탄소계 물질은 어느 방법으로 제조되어도 상관이 없지만, 하나의 바람직한 예로, 그라파이트를 산처리(acid treatment)하여 제조되는 친수성 탄소계 물질일 수 있다.
상기 친수성 탄소계 물질은 산소 원자가 어느 형태로 포함되어 있어도 좋지만, 바람직하게는 에폭사이드기, 카르보닐기, 히드록시기, 및 페놀기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 관능기의 형태로 포함될 수 있다.
경우에 따라서는, 본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질 막에서, 상기 연료전지용 고분자 전해질 막을 사이에 두고 대향하여 적층된 2개 이상의 수소이온 전도성을 갖는 양이온 교환 수지막을 더 포함할 수도 있다. 상기 적층 형태를 제조하기 위해서는 대응하는 막들을 각각 도포하고 가열 압착하는 방법을 사용할 수 있으며, 공지된 막 적층 방법을 제한없이 사용할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 연료전지용 고분자 전해질 막이 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 연료전지용 막 전극 접합체를 제공한다.
상기 연료전지용 막 전극 접합체는 연료전지 운전시의 내부의 고분자 전해질 막의 기계적 강도가 크게 향상되어 내구성이 우수하다는 장점이 있고, 친수성 탄소계 물질의 혼합으로 인하여 전지적 성능이 향상된다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 상기 연료전지용 막 전극 접합체 및 하나 이상의 분리판을 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 하나 이상의 전기 발생부; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부;를 포함하는 연료전지를 제공한다.
고분자 전해질 막을 사용하여 제조되는 막 전극 접합체과 연료전지의 구조 및 제조 방법 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.
본 발명은 또한,
(a) 탄화수소계 양이온 교환수지를 유기용매에 용해시키는 단계;
(b) 친수성 탄소계 물질을 물에 용해시키는 단계;
(c) 상기 단계(b)의 수용액을 단계(a)의 탄화수소계 양이온 교환수지 용액에 적가하여 교반하는 단계; 및
(d) 상기 단계(c)의 혼합 용액을 캐스팅하고 건조하는 단계;
를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공한다.
친수성 탄소계 물질은 상기 친수성 특성으로 인하여 유기 용매에 분산이 잘 되지 않는다. 따라서, 탄화수소계 양이온 교환수지와 별도로 친수성 탄소계 물질을 물에 먼저 잘 분산시킨 후, 유기용매에 녹인 고분자 용액에 수용액 상태로 첨가하여, 탄화수소계 양이온 교환수지와 친수성 탄소계 물질이 유기 용매와 물로 구성된 binary 용매에 녹거나 분산되어 있는 용액을 제조하여 캐스팅하는 것이 바람직하다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 단계(b)의 친수성 탄소계 물질의 용해는 초음파 분산(sonication)을 통해 달성될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질 막은 탄화수소계 양이온 교환수지를 기반으로 한 전해질 막에서, 연료전지의 성능을 향상시키면서, 기계적 물성 및 장기 내구성 등을 향상시킬 수 있다.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 설명하기 위한 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연료전지용 막 전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연료전지의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 연료전지의 70℃, RH 100%, Fixed Stoichiometry 조건에서의 성능 실험 결과를 나타내는 그래프이다;
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 연료전지의 70℃, RH 50%, Fixed Stoichiometry 조건에서의 성능 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
이하 본 발명의 내용을 도면과 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 내용이 이들로 한정 해석되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연료전지용 막 전극 접합체의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질막(201)은 친수성 탄소계 물질(도시하지 않음)을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 막 전극 접합체는 고분자 전해질 막(201)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극(203)과 캐소드 전극(205)을 포함하는 것으로 구성될 수 있다. 애노드 전극(203) 및 캐소드 전극(205)은 기체 확산층(208)을 추가로 포함할 수 있으며, 기체 확산층(208)은 기재(209a, 209b)와 기재의 일면에 형성되는 미세기공층(207a, 207b)을 포함할 수 있다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연료전지의 구조가 개략적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 연료전지는 전기 발생부(200), 연료 공급부(400) 및 산화제 공급부(300)를 포함하는 것으로 구성되어 있다. 본 발명의 연료전지는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하며, 본 발명에 따른 연료전지용 복합 전해질 막을 포함하는 하나 이상의 막 전극 접합체 및 하나 이상의 분리판을 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 하나 이상의 전기 발생부(200); 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부(400); 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부(300)를 포함한다.
상기 전기 발생부(200)는 본 발명의 막 전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막 전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다 상기 세퍼레이터는 막 전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.
상기 연료 공급부(400)는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(410) 및 연료탱크(410)에 저장된 연료를 전기 발생부(200)로 공급하는 펌프(420)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.
상기 산화제 공급부(300)는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(300)로 주입하여 사용할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
1. 탄화수소계 양이온 교환수지 합성
Dean-Stark trap과 콘덴서가 장착된 둥근 바닥 플라스크에 hydroquinonesulfonic acid potassium salt, 4,4'-difluorobenzophenone과 3,5-bis(4-fluorobenzoyl)phenyl(4-fluorophenyl)methanone을 넣고 DMSO(dimethyl sulfoxide)와 benzene 용매에서 K2CO3를 촉매로 사용하여 질소 분위기 내에서 준비하였다.
상기 반응 혼합물들을 140℃의 온도로 오일 바스(oil bath)에서 4 시간 동안 교반하여 benzene이 역류하면서 딘-스탁 장치의 분자체(molecular sieves)에 공비혼합물을 흡착시켜 제거한 후, 반응온도를 180℃로 승온시키고 20 시간 동안 축중합 반응시켰다. 상기 반응 종료 후, 상기 반응물의 온도를 60℃로 감온시킨 후, 동일 플라스크에 4,4'-Difluorobenzophenone, 9,9-bis(hydroxyphenyl)fluorine 및 3,5-bis(4-fluorobenzoyl)phenyl(4-fluorophenyl)-methanone을 넣고, DMSO와 benzene을 이용하여 질소 분위기에서 K2CO3를 촉매로 사용하여 반응을 다시 개시하였다.
상기 반응 혼합물을 다시 140℃의 온도로 오일 바스(oil bath)에서 4 시간 동안 교반하여 벤젠이 역류하면서 딘-스탁 장치의 분자체(molecular sieves)에 공비혼합물을 흡착시켜 제거한 후, 반응 온도를 180℃로 승온시키고 20 시간 동안 축중합 반응시켰다. 그 후, 반응물의 온도를 실온으로 감온시키고 DMSO를 더 가하여 생성물을 희석시킨 후, 희석된 생성물을 과량의 메탄올에 부어 용매로부터 공중합체를 분리하였다.
그 후, 물을 이용하여 과량의 potassium carbonate를 제거한 뒤, 여과하여 얻은 공중합체를 80℃의 진공 오븐에서 12 시간 이상 건조하여 소수 블록과 친수 블록이 교대로 화학결합으로 이어진 브랜치된 술폰화 멀티 블록 공중합체를 제조하였다.
2. 친수성 탄소계 물질 합성
Flake graphite 4 g을 농축된 NaNO3 (2 g)과 KMnO4 (12 g)의 황산 (92 ml) 용액에서 3 시간 동안 교반하였다. 그런 다음, 5 wt% 황산 수용액으로 세척한 후 30 wt% H2O2 수용액을 이용하여 잔여 과망간산염 및 MnO2를 colorless soluble MnSO4 염으로 환원시켰다. filtering paper로 필터링한 후 증류수를 이용하여 pH가 7이 될 때까지 15회 이상 세척한 후, 60℃ heating oven에서 건조하여 친수성 탄소계 물질 분말을 얻었다.
3. Blending
상기 합성된 멀티 블록 고분자를 dimethyl sulfoxide(DMSO)를 용매로 하여 5%의 무게비로 완전히 녹인 후 필터링 하였다. 그런 다음, 0.025 wt%로 sonication을 이용하여 물에 분산시킨 친수성 탄소계 물질 수용액을 DMSO에 녹아있는 고분자 용액에 고분자 및 친수성 탄소계 물질 전체 대비 0.06 wt%가 되도록 적가한 후 하루 동안 교반하여 친수성 탄소계 물질이 포함된 고분자 용액을 제조하였다.
4. Film casting
상기 단계 3에서 준비된 고분자 용액을 이용하여 40℃로 설정된 clean bench 내 applicator의 수평판 위에서 닥터 블레이드를 이용하여 기판에 고분자 필름을 캐스팅한 뒤, 2시간 유지 후(soft baking), 100℃로 설정된 오븐 안에 집어넣고 하루 동안 건조하여 친수성 탄소계 물질이 첨가된 고분자 전해질 막을 제조하였다.
5. 연료전지의 제조
백금 담지 카본 촉매와 Nafion ionomer를 물과 이소프로필 알코올 혼합용매에 녹인 후, 이를 카본 페이퍼에 도포하여, 0.4 mg/cm2의 백금이 존재하는 두 장의 전극 확산층을 준비하였다. 두 장의 전극 확산층 사이에 상기 고분자 전해질 막을 넣은 후 140℃에서 5분 동안 열압착을 통해 전극 막 접합체를 제작하고, 이를 이용하여 연료전지를 제작하였다.
<비교예 1>
친수성 고분자 물질을 사용하지 않고, 멀티 블록 고분자가 DMSO에 녹은 고분자 용액으로 전해질 막을 제조하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 막 전극 접합체 및 연료전지를 제작하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 각각 제작된 전해질 막들에 대하여 인장 실험을 실시하였다. 각각의 전해질 막이 파단되는 시점까지 인장하여 최초 길이 대비 파단시 길이를 측정하여 신장되는 정도를 비교하였다. 실험 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
<표 1>
Figure 112011022484714-pat00001

<실험예 2>
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 각각 제작된 연료전지들을 각각 100% RH와 50% RH 상태에서 셀 성능을 측정하여 그 결과를 도 4 및 5에 나타내었다. 이 때 측정 온도는 70℃였다.
먼저 도 4 및 5를 참조하면, 100% RH와 50% RH 상태에서 실시예 1에서 제조된 전해질 막을 사용한 연료전지의 성능이 친수성 탄소계 물질을 사용하지 않은 비교예 1에서 제조된 전해질 막을 사용한 연료전지의 성능과 동등하거나 일부 향상된 것을 확인할 수 있다.
이러한 결과는 전해질 막 자체의 강도를 높이는 시도가 전해질 막의 양이온 전도성을 저하시켜 연료전지의 성능을 저하시킬 것이라는 일반적인 통념을 벗어나는 것이다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. 수소이온 전도성을 가진 탄화수소계 양이온 교환수지 기재에 친수성 탄소계 물질이 분산되어 있고, 상기 친수성 탄소계 물질은 탄소(C) 원소와 산소(O) 원소를 포함하는 조성으로 층상 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수소이온 전도성을 갖는 탄화수소계 양이온 교환수지와 친수성 탄소계 물질의 혼합 비율은 중량비로 99.99 : 0.01 내지 95 : 5인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 탄화수소계 양이온 교환수지는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 양이온 교환기를 갖는 고분자인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 탄화수소계 양이온 교환수지는 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 탄화수소계 양이온 교환수지는 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 또는 폴리에테르술폰계 고분자, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 친수성 탄소계 물질에서 C : O의 조성 비율은 2.1 : 1 내지 2.9 : 1인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 친수성 탄소계 물질은 그라파이트의 층상 구조를 가진 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 친수성 탄소계 물질은 그라파이트를 산처리(acid treatment)하여 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 친수성 탄소계 물질은 에폭사이드기, 카르보닐기, 히드록시기, 및 페놀기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 관능기를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 연료전지용 고분자 전해질 막을 사이에 두고 대향하여 적층된 2개 이상의 수소이온 전도성을 갖는 양이온 교환 수지 막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 연료전지용 고분자 전해질 막이 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 접합체.
  12. 제 11 항에 따른 연료전지용 막 전극 접합체 및 하나 이상의 분리판을 포함하며,
    연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 하나 이상의 전기 발생부;
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  13. 제 1 항에 따른 연료전지용 고분자 전해질 막의 제조방법으로서,
    (a) 탄화수소계 양이온 교환수지를 유기용매에 용해시키는 단계;
    (b) 친수성 탄소계 물질을 물에 용해시키는 단계;
    (c) 상기 단계(b)의 수용액을 단계(a)의 탄화수소계 양이온 교환수지 용액에 적가하여 교반하는 단계; 및
    (d) 상기 단계(c)의 혼합 용액을 캐스팅하고 건조하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 단계(b)의 친수성 탄소계 물질의 용해는 초음파 분산(sonication)을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막의 제조방법.
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