KR101646707B1 - Ion Exchange Membrane, Method For Manufacturing The Same, Membrane Electrode Assembly and Fuel Cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온 교환 멤브레인과 그의 제조 방법, 멤브레인 전극 어셈블리 및 연료 전지에 관한 것으로, 나노 섬유 웹으로 이온 교환 멤브레인을 구현하여 기계적 강도를 우수하게 하고, 안정성을 높일 수 있고, 높은 양성자 전도성이 있으며, 소형화 및 경량화가 가능하며, 나노 섬유 웹으로 이루어진 이온 교환 멤브레인에 나노 섬유 웹을 이용하여 촉매층을 일체로 형성함으로써, 촉매층과 이온 교환 멤브레인의 접착력을 향상시켜, 계면 저항을 현저하게 낮출 수 있어 우수한 연료 전지를 구현할 수 있다. The present invention relates to an ion exchange membrane, a method of manufacturing the same, a membrane electrode assembly, and a fuel cell. The ion exchange membrane is implemented with a nanofiber web to improve mechanical strength, stability, high proton conductivity, It is possible to reduce the size and weight of the catalyst. By forming the catalyst layer integrally with the ion exchange membrane made of the nanofiber web by using the nanofiber web, the adhesion between the catalyst layer and the ion exchange membrane can be improved and the interface resistance can be remarkably lowered. A battery can be implemented.

Description

이온 교환 멤브레인과 그의 제조 방법, 멤브레인 전극 어셈블리 및 연료 전지 {Ion Exchange Membrane, Method For Manufacturing The Same, Membrane Electrode Assembly and Fuel Cell}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an ion exchange membrane, a method of manufacturing the same, a membrane electrode assembly, and a fuel cell (Ion Exchange Membrane, Method For Manufacturing The Same, Membrane Electrode Assembly and Fuel Cell)

본 발명은 이온 교환 멤브레인과 그의 제조 방법, 멤브레인 전극 어셈블리 및 연료 전지에 관한 것으로, 나노 섬유 웹으로 이온 교환 멤브레인을 구현하여 기계적 강도를 우수하게 하고, 안정성을 높일 수 있고, 높은 양성자 전도성이 있으며, 소형화 및 경량화가 가능하며, 나노 섬유 웹으로 이루어진 이온 교환 멤브레인에 나노 섬유 웹을 이용하여 촉매층을 일체로 형성함으로써, 촉매층과 이온 교환 멤브레인의 접착력을 향상시켜, 계면 저항을 현저하게 낮출 수 있어 우수한 연료 전지 성능을 구현할 수 있는 이온 교환 멤브레인과 그의 제조 방법, 멤브레인 전극 어셈블리 및 연료 전지에 관한 것이다. The present invention relates to an ion exchange membrane, a method of manufacturing the same, a membrane electrode assembly, and a fuel cell. The ion exchange membrane is implemented with a nanofiber web to improve mechanical strength, stability, high proton conductivity, It is possible to reduce the size and weight of the catalyst. By forming the catalyst layer integrally with the ion exchange membrane made of the nanofiber web by using the nanofiber web, the adhesion between the catalyst layer and the ion exchange membrane can be improved and the interface resistance can be remarkably lowered. An ion exchange membrane capable of realizing battery performance, a manufacturing method thereof, a membrane electrode assembly, and a fuel cell.

일반적으로 연료전지는 연료가 갖고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치이다.Generally, a fuel cell is an energy conversion device that converts the chemical energy of a fuel into electric energy.

연료전지는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 외부로부터 공급되는 산소의 화학 반응 에너지로부터 전기 에너지를 발생시키며, 전해질의 종류에 따라서 인산형(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 용융탄산염형 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물형 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 고분자 고체 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등으로 분류된다. The fuel cell generates electrical energy from the chemical reaction energy of hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol, and natural gas and oxygen supplied from the outside. Depending on the type of the electrolyte, the fuel cell may be a phosphoric acid type fuel cell, (PAFC), Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), and Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC).

연료전지 중, 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 출력 특성이 탁월하고, 고체인 고분자막을 사용하여 부식문제를 해결할 수 있으며, 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 우수한 에너지 변환효율과 저온에서 높은 전류밀도을 얻을 수 있어, 자동차의 전원, 분산용 전원 및 소형 전원 등 다양한 분야로 응용되고 있다.Among the fuel cells, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) has excellent output characteristics, can solve the corrosion problem by using solid polymer membrane, has quick start and response characteristics, has excellent energy conversion efficiency High current density can be obtained at low temperature, and it is applied to various fields such as automobile power supply, power supply for dispersion, and small power supply.

한국 공개특허공보 제2013-0001294호는, 보호 필름을 이용하여 고체 고분자 전해질 막의 양면에 전극 촉매층을 열 전사하여 연료 전지의 고체 고분자 전해질 막에 주름이 형성되는 것을 방지하는 기술이 제안되어, 고체 고분자 전해질막의 주름에 의해 전극 촉매층이 벗겨지는 것은 방지할 수 있으나, 고체 고분자 전해질 막과 전극 촉매층의 열팽창 계수가 상이하여, 연료전지의 구동시 발생되는 열에 의해 전극 촉매층이 고체 고분자 전해질 막에서 박리될 수 있으며, 고체 고분자 전해질막의 기계적 강도가 저하되어 연료 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2013-0001294 proposes a technique for preventing wrinkles from being formed in the solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell by thermally transferring the electrode catalyst layer to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane using a protective film, It is possible to prevent the electrode catalyst layer from being peeled off by the wrinkles of the electrolyte membrane but the thermal expansion coefficient of the solid polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer are different from each other and the electrode catalyst layer can be peeled off from the solid polymer electrolyte membrane And the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane is lowered, thereby deteriorating the performance of the fuel cell.

한국공개특허 제 2013-0001294 호Korea Patent Publication No. 2013-0001294

상기와 같이 고체 고분자 전해질 막과 전극 촉매층의 열팽창 계수가 상이하여, 연료전지의 구동시 발생되는 열에 의해 전극 촉매층이 고체 고분자 전해질 막에서 박리될 수 있으며, 고체 고분자 전해질막의 기계적 강도가 저하되는 문제점이 있다.As described above, the solid polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer have different thermal expansion coefficients, so that the electrode catalyst layer can be peeled off from the solid polymer electrolyte membrane due to heat generated during the operation of the fuel cell, and the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane deteriorates have.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 나노 섬유 웹으로 이온 교환 멤브레인을 구현하여 기계적 강도를 우수하게 하고, 안정성을 높일 수 있고, 높은 양성자 전도성이 있으며, 소형화 및 경량화가 가능하여, 휴대용 전원, 가정용 전원, 차량용 전원으로 응용할 수 있는 이온 교환 멤브레인과 그의 제조 방법, 멤브레인 전극 어셈블리 및 연료 전지를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide an ion exchange membrane as a nanofiber web to improve mechanical strength, stability, proton conductivity, And it is an object of the present invention to provide an ion exchange membrane that can be applied to a portable power source, a domestic power source, and a vehicle power source, a method of manufacturing the same, a membrane electrode assembly, and a fuel cell.

본 발명의 다른 목적은 촉매층을 나노 섬유 웹으로 형성하여 나노 섬유 웹으로 이루어진 이온 교환 멤브레인에 일체화시킴으로써, 촉매층과 이온 교환 멤브레인의 접착력을 향상시켜, 계면 저항을 현저하게 낮출 수 있어 우수한 연료 전지 성능을 구현할 수 있는 이온 교환 멤브레인과 그의 제조 방법, 멤브레인 전극 어셈블리 및 연료 전지를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to improve the adhesion between the catalyst layer and the ion exchange membrane by significantly reducing the interfacial resistance by forming the catalyst layer into a nanofiber web and integrating it into the ion exchange membrane made of the nanofiber web, A membrane electrode assembly, and a fuel cell.

본 발명의 또 다른 목적은 이온 교환 멤브레인과 촉매층을 열팽창 계수 동일하거나, 또는 극미한 차이를 갖는 고분자 물질의 나노 섬유 웹으로 형성하여, 연료 전지의 구동에서 발생된 열에 의해, 촉매층이 이온 교환 멤브레인에서 박리되는 것을 방지할 수 있는 이온 교환 멤브레인과 그의 제조 방법, 멤브레인 전극 어셈블리 및 연료 전지를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a nanofiber web of an ion exchange membrane and a catalyst layer made of a polymer material having the same or slightly different thermal expansion coefficient, A membrane electrode assembly, and a fuel cell. The present invention also provides an ion exchange membrane, a membrane electrode assembly, and a fuel cell.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 나노 섬유 내부 또는 외측에 이온 교환 수지 입자가 분산되어 있고 술폰화된 나노 섬유 웹; 및In order to achieve the above object, according to one embodiment of the present invention, there is provided a nanofiber web comprising a nanofiber, a sulfonated nanofiber web having ion exchange resin particles dispersed inside or outside the nanofiber; And

상기 나노 섬유 웹 일측과 타측 각각에 전기방사되어, 나노 섬유 내부 또는 외측에 촉매가 담지된 담체 분말이 분산되어 있는 나노 섬유 웹으로 이루어진 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 멤브레인을 제공한다.And a catalyst layer composed of a nanofiber web on which nanofibers are dispersed and supported on one side and the other side of the nanofibers, respectively, and the catalyst powder is dispersed in the inside or outside of the nanofibers.

상기 술폰화된 나노 섬유 웹은, 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 적층되어 있고 미세 기공을 갖는 다층 나노 섬유 웹, 상기 나노 섬유 내부 또는 외측에 분산되어 있는 이온 교환 수지 입자, 및 상기 다층 나노 섬유 웹에 도입된 술폰산기를 포함하는 구조, 또는 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 적층되어 있고 미세 기공을 갖는 제1 다층 나노 섬유 웹, 상기 제1 다층 나노 섬유 웹에 분산되어 있으며 상기 나노 섬유 외측에 위치되어 있는 이온 교환 수지 입자, 상기 이온 교환 수지 입자의 움직임을 방지하기 위하여 상기 제1 다층 나노 섬유 웹에 적층된 제2 다층 나노 섬유 웹, 및 상기 제1 및 제2 나노 섬유 웹에 도입된 술폰산기를 포함하는 구조인 것을 특징으로 한다.The sulfonated nanofiber web comprises a multi-layer nanofiber web laminated with nanofibers obtained by electrospinning a polymer substance and having micropores, ion-exchange resin particles dispersed in the inside or outside of the nanofiber, A first multilayer nanofiber web laminated with a structure containing a sulfonic acid group introduced into a fibrous web or obtained by electrospinning a polymer material and having micropores, a first multilayer nanofiber web dispersed in the first multilayer nanofiber web, A second multi-layer nanofiber web laminated on the first multi-layer nanofiber web to prevent movement of the ion exchange resin particles, and a second multi-layer nanofiber web laminated on the first and second nanofiber webs And a sulfonic acid group.

상기 이온 교환 수지 입자는 이온 교환능이 있는 다공질의 유기 중합체의 입자 또는 폴리스티렌(Polystyrene)과 디비닐벤젠(Divinylbenzene)의 공중합체의 입자인 것을 특징으로 한다.The ion exchange resin particles are characterized by particles of a porous organic polymer having ion exchange ability or particles of a copolymer of polystyrene and divinylbenzene.

상기 이온 교환 수지 입자 및 상기 담체 분말의 일부는 상기 나노 섬유 표면에 노출되어 있는 것을 특징으로 한다.And the ion exchange resin particles and a part of the carrier powder are exposed on the surface of the nanofiber.

상기 담체 분말은 카본 분말, 활성탄 분말, 및 그래파이트 분말 중 하나인 것을 특징으로 한다.The support powder is characterized by being one of carbon powder, activated carbon powder, and graphite powder.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 수소를 포함하는 연료가스가 공급되는 애노드;According to an embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell comprising: an anode to which a fuel gas containing at least hydrogen is supplied;

적어도 산소를 포함하는 산화제 가스가 공급되는 캐소드; 및A cathode to which an oxidant gas containing at least oxygen is supplied; And

상기 애노드와 상기 캐소드에 사이에 개재되어 있고, 나노 섬유 내부 또는 외측에 이온 교환 수지 입자가 분산되어 있고 술폰화된 나노 섬유 웹으로 이루어져 상기 애노드에 공급된 연료가스의 반응으로 생성된 프로톤(proton)이 캐소드 방향으로 이동되는 이온 교환 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리를 제공한다.A proton generated by the reaction of the fuel gas supplied to the anode, which is composed of a sulfonated nanofiber web in which ion exchange resin particles are dispersed in the inside or the outside of the nanofiber and is interposed between the anode and the cathode, Wherein the membrane electrode assembly includes an ion exchange membrane that is moved in the direction of the cathode.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 나노 섬유 내부 또는 나노 섬유 외측에 이온 교환 수지 입자가 분산되어 있고 술폰화된 나노 섬유 웹; According to an embodiment of the present invention, there is provided a nanofiber web comprising a nanofiber fiber or a sulfonated nanofiber web in which ion exchange resin particles are dispersed inside the nanofiber or outside the nanofiber;

상기 나노 섬유 웹 일측과 타측 각각에 형성되며, 나노 섬유 내부 또는 외측에 촉매가 담지된 담체 분말이 분산되어 있는 나노 섬유 웹으로 이루어진 제1 및 제2 촉매층;A first and a second catalyst layers formed on one side of the nanofiber web and the other side of the nanofiber web, the nanofiber web comprising nanofiber webs on which catalyst powder is dispersed;

상기 제1 및 제2 촉매층 각각에 부착되어 있으며, 전기 전도성을 갖는 다공체로 이루어진 제1 및 제2 가스 확산층; 및 First and second gas diffusion layers attached to the first and second catalyst layers, respectively, and made of a porous material having electrical conductivity; And

상기 제1 및 제2 가스 확산층 각각에 부착된 세퍼레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지를 제공한다.And a separator attached to each of the first and second gas diffusion layers.

상기 제1 및 제2 촉매층은 상기 나노 섬유 웹 일측과 타측 각각에 전기방사되어, 상기 술폰화된 나노 섬유 웹과 일체로 형성된 나노 섬유 웹인 것을 특징으로 한다.The first and second catalyst layers are nanofiber webs that are electrospun into one side of the nanofiber web and the other side, respectively, and are formed integrally with the sulfonated nanofiber web.

상기 제1 및 제2 가스 확산층은 카본 페이퍼 또는 카본 부직포인 것을 특징으로 한다.And the first and second gas diffusion layers are carbon paper or carbon nonwoven fabric.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 술폰화된 나노 섬유 웹을 형성하는 단계;According to one embodiment of the present invention, there is provided a method of forming a sulfonated nanofiber web, comprising: forming a sulfonated nanofiber web;

고분자 물질, 용매, 촉매가 담지된 담체 분말이 혼합된 방사용액을 제조하는 단계;Preparing a spinning solution in which a polymer material, a solvent, and a carrier-supported carrier powder are mixed;

상기 방사용액을 전기방사하여 나노 섬유 내부에 촉매가 담지된 담체 분말이 분산되어 있는 나노 섬유 웹으로 이루어진 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 멤브레인의 제조 방법을 제공한다.And a step of electrospinning the spinning solution to form a catalyst layer made of a nanofiber web in which a carrier powder on which a catalyst is supported is dispersed in the nanofibers.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 술폰화된 나노 섬유 웹을 형성하는 단계;According to one embodiment of the present invention, there is provided a method of forming a sulfonated nanofiber web, comprising: forming a sulfonated nanofiber web;

고분자 물질, 용매, 촉매가 담지된 담체 분말이 혼합된 방사용액을 제조하는는 단계;Preparing a spinning solution containing a polymer material, a solvent, and a carrier powder carrying a catalyst;

상기 방사용액을 전기방사하여 나노 섬유 내부에 촉매가 담지된 담체 분말이 분산되어 있는 나노 섬유 웹으로 이루어진 제1 나노 섬유 웹 구조를 형성하는 단계;Forming a first nanofiber web structure composed of a nanofiber web in which carrier powder on which a catalyst is supported is dispersed in nanofibers by electrospinning the spinning solution;

촉매가 담지된 담체 분말과 용매가 혼합된 분사용액을 제조하는 단계;Preparing a solution for use in which a catalyst-supported support powder and a solvent are mixed;

상기 분사용액을 전기분사하여 상기 제1 나노 섬유 웹 구조의 나노 섬유 외측에 촉매가 담지된 담체 분말을 분산시키는 단계; 및Dispersing the carrier powder carrying the catalyst on the outside of the nanofibers of the first nanofiber web structure by electro-spraying the dispersion liquid; And

상기 방사용액을 전기방사하여 상기 제1 나노 섬유 웹 구조에, 나노 섬유 내부에 촉매가 담지된 담체 분말이 분산되어 있는 제2 나노 섬유 웹 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 멤브레인의 제조 방법을 제공한다.Forming a second nanofiber web structure in which carrier powder carrying a catalyst is dispersed in the nanofibers in the first nanofiber web structure by electrospinning the spinning solution, Of the present invention.

상기 술폰화된 나노 섬유 웹을 형성하는 단계는, 고분자 물질, 이온 교환 수지 입자, 용매를 혼합하여 방사용액을 제조하는 단계; 상기 방사용액을 전기방사하여, 나노 섬유 내부에 이온 교환 수지 입자가 분산되어 있는 나노 섬유 웹을 형성하는 단계; 및 상기 나노 섬유 웹에 술폰산기를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The step of forming the sulfonated nanofiber web comprises: preparing a spinning liquid by mixing a polymer material, ion exchange resin particles, and a solvent; Electrospinning the spinning solution to form a nanofiber web in which ion exchange resin particles are dispersed in the nanofibers; And introducing a sulfonic acid group into the nanofiber web.

상기 술폰화된 나노 섬유 웹을 형성하는 단계는, 고분자물질과 용매를 혼합하여 제1 방사용액을 제조하는 단계; 상기 제1 방사용액을 제1 전기방사하여 제1 다층 나노 섬유 웹을 형성하는 단계; 이온 교환 수지 입자와 용매를 혼합하여 분사용액을 제조하는 단계; 상기 분사용액을 전기분사를 수행하여 제1 다층 나노 섬유 웹에 상기 이온 교환 수지 입자를 분산시키는 단계; 고분자물질과 용매를 혼합하여 제2 방사용액을 제조하는 단계; 상기 제2 방사용액을 제2 전기방사하여 이온 교환 수지 입자가 분산된 제1 다층 나노 섬유 웹에 제2 다층 나노 섬유 웹을 형성하는 단계; 및 상기 다층 나노 섬유 웹에 술폰산기를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The step of forming the sulfonated nanofiber web comprises: preparing a first spinning solution by mixing a polymer material and a solvent; Forming a first multilayer nanofiber web by first electrospinning the first spinning solution; Mixing the ion exchange resin particles with a solvent to prepare a solution for fractionation; Dispersing the ion exchange resin particles in the first multi-layered nanofiber web by electro-spraying the dispersion solution; Mixing a polymer material and a solvent to prepare a second spinning solution; Forming a second multi-layered nanofiber web on the first multi-layered nanofiber web in which the ion exchange resin particles are dispersed by second electrospinning the second spinning solution; And introducing a sulfonic acid group into the multi-layered nanofiber web.

상기 촉매는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 백금루테늄 합금(PtRu), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 및 금(Au)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 한다.Wherein the catalyst is one selected from the group consisting of platinum (Pt), ruthenium (Ru), platinum ruthenium alloy (PtRu), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), osmium (Os) Or more.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 나노 섬유 웹으로 이온 교환 멤브레인을 구현하여 나노 섬유 웹의 구조적인 특성으로 적합한 기계적 강도와 안정성을 갖을 수 있고, 높은 양성자 전도성이 있으며, 소형화 및 경량화가 가능하여, 휴대용 전원, 가정용 전원, 차량용 전원으로 응용할 수 있다.As described above, according to the present invention, by implementing an ion exchange membrane as a nanofiber web, the nanofiber web can have mechanical strength and stability suitable for the structural characteristics of the nanofiber web, has high proton conductivity, can be downsized and lightweight, It can be applied to power source, household power source, and vehicle power source.

본 발명에서는 촉매층을 나노 섬유 웹으로 형성하여 나노 섬유 웹으로 이루어진 이온 교환 멤브레인에 일체화시킴으로써, 촉매층과 이온 교환 멤브레인의 접착력을 향상시켜, 계면 저항을 현저하게 낮출 수 있어 우수한 연료 전지 성능을 구현할 수 있으며, 기계적인 강도를 우수하게 할 수 있다.In the present invention, by forming the catalyst layer as a nanofiber web and integrating it into an ion exchange membrane made of a nanofiber web, the adhesion between the catalyst layer and the ion exchange membrane can be improved and the interface resistance can be remarkably lowered, , The mechanical strength can be improved.

본 발명에서는 이온 교환 멤브레인과 촉매층을 열팽창 계수 동일하거나, 또는 극미한 차이를 갖는 고분자 물질의 나노 섬유 웹으로 형성함으로써, 연료 전지의 구동에서 발생된 열에 의해, 촉매층이 이온 교환 멤브레인에서 박리되는 것을 방지할 수 있다.In the present invention, the ion exchange membrane and the catalyst layer are formed of a nanofiber web of a polymer substance having the same or slightly different thermal expansion coefficient, thereby preventing the catalyst layer from being peeled off from the ion exchange membrane can do.

본 발명에서는 전기분사에 의해 제1 나노 섬유 웹에 안착된 이온교환수지 입자의 움직임을 방지하기 위하여, 제1 나노 섬유 웹에 제2 나노 섬유 웹을 적층하여, 연료 전지의 신뢰성을 확보할 수 있다. In the present invention, in order to prevent the movement of the ion exchange resin particles seated on the first nanofiber web by electric spraying, the reliability of the fuel cell can be secured by laminating the second nanofiber web on the first nanofiber web .

도 1은 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 모식적으로 도시한 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 구조를 개념적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지의 셀 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 설명하기 위한 개략적인 도면,
도 5는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 제조 공정 흐름도,
도 6은 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제1 실시예의 이온 교환 멤브레인을 형성하기 위한 전기방사장치의 개략도,
도 7은 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제1 실시예의 이온 교환 멤브레인의 제조공정 흐름도,
도 8은 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제1 실시예의 이온 교환 멤브레인의 다층 나노 섬유 웹에 술폰산기를 도입하는 일례의 방법을 설명하기 위한 개념적인 공정 단면도,
도 9는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제2 실시예의 이온 교환 멤브레인을 형성하기 위한 전기 방사 및 전기 분사장치의 개략도,
도 10은 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제2 실시예의 이온 교환 멤브레인의 제조공정 흐름도,
도 11a 내지 도 11c는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제2 실시예의 이온 교환 멤브레인의 나노 섬유 웹의 제조공정을 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 12a와 도 12b는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제3 실시예의 이온 교환 멤브레인의 제조공정 흐름도,
도 13a 내지 도 13c는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제4 실시예의 이온 교환 멤브레인의 제조공정 흐름도,
도 14는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 다른 일례의 제조공정 흐름도,
도 15는 본 발명에 따른 연료 전지의 다른 일례의 제조공정 흐름도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a membrane electrode assembly according to the present invention,
FIG. 2 conceptually illustrates the structure of a membrane electrode assembly according to the present invention, and FIG.
3 is a schematic cross-sectional view for explaining the cell structure of the fuel cell according to the present invention,
4 is a schematic view for explaining a fuel cell system according to the present invention,
FIG. 5 is a flow chart of a manufacturing process of a membrane electrode assembly according to the present invention,
6 is a schematic view of an electrospinning device for forming an ion exchange membrane of a first embodiment applied to a membrane electrode assembly according to the present invention,
FIG. 7 is a flow chart showing a manufacturing process of the ion exchange membrane of the first embodiment applied to the membrane electrode assembly according to the present invention,
FIG. 8 is a conceptual process sectional view for explaining an exemplary method of introducing a sulfonic acid group into a multi-layered nanofiber web of an ion exchange membrane of a first embodiment applied to a membrane electrode assembly according to the present invention;
Figure 9 is a schematic view of an electrospinning and electrospray device for forming an ion exchange membrane of a second embodiment applied to a membrane electrode assembly according to the present invention;
FIG. 10 is a flow chart of a manufacturing process of the ion exchange membrane of the second embodiment applied to the membrane electrode assembly according to the present invention,
11A to 11C are conceptual sectional views for explaining a process of manufacturing a nanofiber web of an ion exchange membrane of a second embodiment applied to a membrane electrode assembly according to the present invention,
FIGS. 12A and 12B are a flow chart showing a manufacturing process of the ion exchange membrane of the third embodiment applied to the membrane electrode assembly according to the present invention,
FIGS. 13A to 13C are a flow chart of a manufacturing process of the ion exchange membrane of the fourth embodiment applied to the membrane electrode assembly according to the present invention,
FIG. 14 is a flow chart of a manufacturing process of another example of the membrane electrode assembly according to the present invention,
15 is a flowchart of a manufacturing process of another example of the fuel cell according to the present invention.

본 발명에서는 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 다수층으로 적층되어 있고 미세 기공을 갖고, 술폰화된 나노 섬유 웹으로 이루어진 이온 교환 멤브레인으로 적용하여 멤브레인 전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly) 및 연료 전지를 제작한다. 이온 교환 멤브레인은 애노드에서 발생된 이온을 캐소드로 이동시키는 통상적인 고체 전해질 막의 기능을 수행한다.In the present invention, a membrane electrode assembly (MEMS) and a fuel cell are fabricated by applying nanofibers obtained by electrospinning a polymer material to an ion-exchange membrane having a plurality of layers, micropores, and a sulfonated nanofiber web And make them. The ion exchange membrane performs the function of a conventional solid electrolyte membrane that moves ions generated in the anode to the cathode.

본 발명에서는 적어도 수소를 포함하는 연료가스가 공급되는 애노드, 적어도 산소를 포함하는 산화제 가스가 공급되는 캐소드, 및 애노드와 캐소드에 사이에 개재되어 있고, 술폰화된 나노 섬유 웹으로 이루어져 애노드에 공급된 연료가스의 반응으로 생성된 프로톤(proton)이 캐소드 방향으로 이동되는 이온 교환 멤브레인을 포함하는 멤브레인 전극 어셈블리를 제작한다. 일례로, 프로톤은 수소에서 전자가 상실된 수소 양이온(H+)이다. In the present invention, an anode in which a fuel gas containing at least hydrogen is supplied, a cathode to which at least an oxygen-containing oxidant gas is supplied, and a cathode which is interposed between the anode and the cathode and is made of a sulfonated nanofiber web, A membrane electrode assembly is fabricated that includes an ion exchange membrane in which protons generated by the reaction of the fuel gas are moved toward the cathode. For example, protons are hydrogen cations (H + ) in which electrons are lost from hydrogen.

본 발명에서는 애노드와 캐소드에는 각각 촉매층을 포함하고 있고, 촉매층은 이온 교환 멤브레인과 접촉되어 있으며, 애노드에 포함된 촉매는 연료가스와 전기화학반응이 일어나 프로톤을 발생하고, 발생된 프로톤은 이온 교환 멤브레인을 통해 캐소드 방향으로 이동하고, 캐소드에 포함된 촉매층은 프로톤과 산화제 가스의 산소와 반응되어 물과 전자를 생성시킨다.In the present invention, the anode and the cathode each include a catalyst layer. The catalyst layer is in contact with the ion exchange membrane. The catalyst contained in the anode electrochemically reacts with the fuel gas to generate protons. And the catalyst layer contained in the cathode is reacted with oxygen of the proton and the oxidant gas to generate water and electrons.

본 발명에서는 애노드와 캐소드에는 각각 가스 확산층을 포함하고 있고, 애노드와 캐소드의 가스 확산층 각각에 촉매가 포함된 촉매층이 적층되어 있고, 애노드와 캐소드의 가스 확산층 각각을 통하여 연료가스와 산화제 가스가 공급되어 촉매와 반응하게 된다.In the present invention, the anode and the cathode each include a gas diffusion layer, and a catalyst layer containing a catalyst is laminated on each of the anode diffusion layer and the cathode diffusion layer. The fuel gas and the oxidant gas are supplied through the anode diffusion layer and the cathode diffusion diffusion layer, respectively And reacts with the catalyst.

본 발명에서는 촉매로는 연료 가스와 반응할 수 있고, 프로톤과 산소를 반응시킬 수 있는 모든 물질을 적용할 수 있으며, 촉매는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 백금루테늄 합금(PtRu), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 및 금(Au)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속인 것이 바람직하다. 예를 들어, 백금계 촉매는, 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. 촉매는 담체에 담지시켜 사용한다. 담체는 카본 분말, 활성탄 분말, 그래파이트 분말 등이 사용된다. 촉매가 담지된 담체는 이온 교환 멤브레인과 가스 확산층의 접착력을 유지하기 위하여 바인더를 포함할 수 있다.In the present invention, the catalyst may be any material capable of reacting with the fuel gas and capable of reacting with protons and oxygen. The catalyst may be selected from platinum (Pt), ruthenium (Ru), platinum ruthenium alloy (PtRu) It is preferably at least one metal selected from the group consisting of palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), osmium (Os) and gold (Au) For example, the platinum-based catalyst may be selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum- , At least one transition metal selected from the group consisting of Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh and Ru) may be used. The catalyst is supported on a carrier. As the carrier, carbon powder, activated carbon powder, graphite powder and the like are used. The carrier on which the catalyst is supported may include a binder to maintain the adhesion between the ion exchange membrane and the gas diffusion layer.

본 발명에서는 애노드와 캐소드의 가스 확산층은 전기 전도성을 갖는 다공체로 구성하고, 예컨대, 카본 페이퍼, 카본 부직포 등이다.In the present invention, the anode and cathode gas diffusion layers are made of a porous body having electrical conductivity, and examples thereof include carbon paper, carbon nonwoven fabric, and the like.

본 발명에서는 이온 교환 멤브레인으로 고분자물질과 용매를 혼합하여 방사용액을 제조하고, 방사용액을 전기방사(Electrospinning)하여 다층 나노 섬유 웹을 형성하고, 다층 나노 섬유 웹에 술폰산기를 도입하여 술폰화된 나노 섬유 웹을 이용한다. In the present invention, a multi-layered nanofiber web is formed by mixing a polymer material and a solvent with an ion-exchange membrane to prepare a spinning liquid, electrospinning the spinning solution, and introducing a sulfonic acid group into the multi- Fiber web.

본 발명에서는 이온 교환 멤브레인으로 고분자물질, 이온 교환 수지 입자와 용매를 혼합하여 방사용액을 제조하고, 다수 행/다수 열의 멀티-홀 방사팩을 이용하여 전기방사를 수행하여 나노 섬유 웹을 형성한 후, 다층 나노 섬유 웹에 술폰산기를 도입하여 술폰화된 나노 섬유 웹을 이용한다. In the present invention, a spinning solution is prepared by mixing a polymer material, ion exchange resin particles and a solvent with an ion exchange membrane, and electrospinning is performed using a multi-hole spinning pack having a plurality of rows and a plurality of rows to form a nanofiber web , A sulfonated nanofiber web is used by introducing a sulfonic acid group into the multi-layer nanofiber web.

본 발명에서는 이온 교환 멤브레인으로 고분자물질과 용매를 혼합하여 제1 방사용액을 제조하고, 제1 방사용액을 제1 전기방사하여 제1 다층 나노 섬유 웹을 형성하고, 이온 교환 수지 입자와 용매를 혼합하여 분사용액을 제조하고, 상기 분사용액을 전기분사를 수행하여 제1 다층 나노 섬유 웹에 이온 교환 수지 입자를 분산시키고, 고분자물질과 용매를 혼합하여 제2 방사용액을 제조하고, 제2 방사용액을 제2 전기방사하여 이온 교환 수지 입자가 분산된 제1 다층 나노 섬유 웹에 제2 다층 나노 섬유 웹을 형성한 후, 다층 나노 섬유 웹에 술폰산기를 도입하여 술폰화된 나노 섬유 웹을 이용한다. In the present invention, a first spinning solution is prepared by mixing a polymer material and a solvent with an ion exchange membrane, a first spinning solution is first electrospun to form a first multilayer nanofiber web, and ion exchange resin particles and a solvent are mixed The ion exchange resin particles are dispersed in the first multi-layered nanofiber web by electrospinning the dispersing solution to prepare a second spinning solution. The second spinning solution is prepared by mixing the polymer substance and the solvent, Is subjected to second electrospinning to form a second multi-layer nanofiber web on the first multi-layer nanofiber web in which the ion exchange resin particles are dispersed, and then a sulfonated nanofiber web is used by introducing a sulfonic group on the multi-layer nanofiber web.

여기서, 분사된 이온 교환 수지 입자는 제1 다층 나노 섬유 웹에 분산되어 있으나, 이온 교환 수지 입자와 제1 다층 나노 섬유 웹의 결합력은 외력에 의해 감소될 수 있어, 제2 다층 나노 섬유 웹은 이온 교환 수지 입자를 제1 다층 나노 섬유 웹으로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있게 한다.Here, the injected ion exchange resin particles are dispersed in the first multi-layered nanofiber web, but the bonding force between the ion exchange resin particles and the first multi-layered nanofiber web can be reduced by the external force, and the second multi- Thereby making it possible to prevent the exchange resin particles from being separated from the first multi-layered nanofiber web.

본 발명에서 사용되는 고분자물질은 전기방사가 가능한 것으로 예를 들면, 친수성 고분자와 소수성 고분자 등을 들 수 있으며, 이러한 고분자들을 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. The polymeric material used in the present invention is capable of electrospinning, for example, a hydrophilic polymer and a hydrophobic polymer, and one or more of these polymers may be used in combination.

본 발명에서 사용 가능한 고분자물질로는 전기방사를 위해 유기용매에 용해될 수 있고, 전기방사에 의해 나노 섬유를 형성할 수 있는 수지이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 퍼풀루오로폴리머, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드 또는 이들의 공중합체, 폴리에틸렌글리콜 디알킬에테르 및 폴리에틸렌글리콜 디알킬에스터를 포함하는 폴리에틸렌글리콜 유도체, 폴리(옥시메틸렌-올리 고-옥시에틸렌), 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드를 포함하는 폴리옥사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리(비닐피롤리돈-비닐아세테이트), 폴리스티렌 및 폴리스티렌 아크릴로니트릴 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴로니트릴 메틸메타크릴레이트 공중합체를 포함하는 폴리아크릴로니트릴 공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 공중합체 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. The polymer material usable in the present invention is not particularly limited as long as it is soluble in an organic solvent for electrospinning and is capable of forming nanofibers by electrospinning. For example, polyvinylidene fluoride (PVdF), poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), perfluoropolymers, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride or copolymers thereof, polyethylene glycol di Polyoxyethylene-polyoxypropylene oxide, polyethylene glycol derivatives including alkyl ethers and polyethylene glycol dialkyl esters, polyoxides including poly (oxymethylene-oligo-oxyethylene), polyethylene oxide and polypropylene oxide, polyvinyl acetate, poly (vinylpyrrolidone- Vinyl acetate), polystyrene and polystyrene acrylonitrile copolymers, polyacrylonitrile (PAN), polyacrylonitrile copolymers including polyacrylonitrile methyl methacrylate copolymers, polymethyl methacrylate, polymethyl methacrylate Acrylate copolymer or a mixture thereof.

또한, 사용 가능한 고분자물질로는 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리{비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]} 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등이 있다. Examples of usable polymer materials include polyamide, polyimide, polyamideimide, poly (meta-phenylene isophthalamide), polysulfone, polyetherketone, polyetherimide, polyethylene terephthalate, , Aromatic polyesters such as polyethylene naphthalate, polyphosphazenes such as polytetrafluoroethylene, polydiphenoxaphospazene, poly {bis [2- (2-methoxyethoxy) Polyurethane copolymers including polyether urethanes, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, and cellulose acetate propionate.

상기 고분자물질 중에서 본 발명의 필터재료로 특히 바람직한 것은 PAN, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리에스테르 설폰(PES: Polyester Sulfone), 폴리스티렌(PS)를 단독으로 사용하거나, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)와 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 혼합하거나, PVdF와 PES, PVdF와 열가소성 폴리우레탄(TPU: Thermoplastic Polyurethane)을 혼합하여 사용할 수 있다. Of the above polymer materials, PAN, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyester sulfone (PES) and polystyrene (PS) may be used alone or polyvinylidene fluoride PVdF) and polyacrylonitrile (PAN), PVDF, PES, PVdF and thermoplastic polyurethane (TPU) may be mixed and used.

따라서, 본 발명에서 사용 가능한 고분자는 전기방사가 가능한 열가소성 및 열경화성 고분자로 특별히 제한되지 않는다. Accordingly, the polymer usable in the present invention is not particularly limited to thermosetting and thermosetting polymers capable of electrospinning.

방사용액을 준비하기 위하여 고분자 물질과 혼합되는 용매는 단성분계 용매, 예를 들면, 다이메틸포름아마이드(DMF: dimethylformamide)를 사용하는 것도 가능하나, 2성분계 용매를 사용하는 경우는 비등점(BP: boiling point)이 높은 것과 낮은 것을 혼합한 2성분계 용매를 사용하는 것이 바람직하다. For the solvent to be mixed with the polymer substance for preparing the spinning solution, a mono-component solvent such as dimethylformamide (DMF) may be used. In the case of using the two-component solvent, the boiling point it is preferable to use a two-component solvent in which the higher and the lower one are mixed.

본 발명에 따른 2성분계 혼합용매는 고비등점 용매와 저비등점 용매를 중량비로 7:3 내지 9:1 범위로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.In the two-component mixed solvent according to the present invention, the high boiling point solvent and the low boiling point solvent are preferably mixed in a weight ratio of 7: 3 to 9: 1.

그리고, 이온 교환 멤브레인은 술폰기와 이온 교환 수지 입자로 애노드 및 캐소드 사이에서 프로톤을 이동시키는 양성자 교환막(proton exchange membrane, PEM)으로 기능을 수행하게 된다. 다층 나노 섬유 웹의 섬유 및 이온 교환 수지 입자에는 술폰기(sulfonic acid group, -SO3H)가 붙어있고, 이 이온 교환 수지 입자는 양이온 교환수지의 입자이므로, 술폰기와 이온 교환 수지 입자는 프로톤을 애노드에서 캐소드 방향으로 이동시키게 된다.The ion exchange membrane functions as a proton exchange membrane (PEM) for transferring protons between the anode and the cathode as sulfone groups and ion exchange resin particles. The sulfonic acid group (-SO 3 H) is attached to the fibers and ion exchange resin particles of the multi-layer nanofiber web. Since the ion exchange resin particles are particles of the cation exchange resin, And is moved from the anode toward the cathode.

본 발명에서 이온 교환 수지 입자는 내부 표면에 이온 교환능이 있는 관능기를 가지고 있는 것으로 정의할 수 있다. In the present invention, the ion exchange resin particles can be defined as having an ion-exchangeable functional group on the inner surface.

더 세부적으로, 본 발명에서는 이온 교환능이 있는 다공질의 유기 중합체 또는 폴리스티렌(Polystyrene)과 디비닐벤젠(Divinylbenzene)의 공중합체인 PSDVB를 입자로 만들고, 이 입자와 용매를 혼합하여 분사용액을 제조한다.More specifically, in the present invention, PSDVB, which is a porous organic polymer having an ion exchange capacity or a copolymer of polystyrene and divinylbenzene, is made into particles, and the particles and a solvent are mixed to prepare a liquid dispersion.

그러므로, 본 발명의 이온 교환 멤브레인은 나노 섬유 웹의 구조적인 특성으로 적합한 기계적 강도와 안정성을 갖을 수 있고, 높은 양성자 전도성이 있으며, 소형화 및 경량화가 가능하여, 휴대용 전원, 가정용 전원, 차량용 전원으로 응용할 수 있는 것이다.Therefore, the ion exchange membrane of the present invention has mechanical strength and stability suitable for the structural characteristics of the nanofiber web, has high proton conductivity, can be miniaturized and lightweight, and can be applied to a portable power source, a domestic power source, and a vehicle power source You can.

본 발명에서는 진한 황산, 발연황산, 클로로술폰산 중 하나와 탄화수소가 치환반응하는 술폰화(sulfonation) 반응이 일어나는 용액에 다층 나노 섬유 웹을 디핑(dipping)하여 다층 나노 섬유 웹의 섬유 및 이온 교환 수지 입자에 술폰기를 붙여주어, 다층 나노 섬유 웹에 술폰산기의 도입하는 것이 바람직하다.In the present invention, a multi-layered nanofiber web is dipped into a solution in which a sulfonation reaction occurs in which one of concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid, and chlorosulfonic acid is substituted with a hydrocarbon, To introduce a sulfonic acid group into the multi-layered nanofiber web.

본 발명에서는 나노 섬유 웹의 구조의 이온 교환 멤브레인의 양측에, 촉매가 담지된 담체 분말이 나노 섬유 내부 또는 외측에 분산되어 있는 나노 섬유 웹의 구조로 이루어진 촉매층이 더 형성될 수 있다. 담체는 카본 분말, 활성탄 분말, 그래파이트 분말 중 하나이다. In the present invention, a catalyst layer may be further formed on both sides of the ion exchange membrane of the structure of the nanofiber web. The catalyst layer is composed of a nanofiber web structure in which a carrier-supported carrier powder is dispersed inside or outside the nanofiber. The carrier is one of carbon powder, activated carbon powder and graphite powder.

도 1은 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 모식적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 구조를 개념적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 연료 전지의 셀 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 설명하기 위한 개략적인 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 제조 공정 흐름도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a membrane electrode assembly according to the present invention. FIG. 2 conceptually shows the structure of a membrane electrode assembly according to the present invention. 4 is a schematic view for explaining a fuel cell system according to the present invention, and FIG. 5 is a flowchart illustrating a manufacturing process of a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention. to be.

도 1을 참고하면, 멤브레인 전극 어셈블리는 적어도 수소를 포함하는 연료가스가 공급되는 애노드(1100); 적어도 산소를 포함하는 산화제 가스가 공급되는 캐소드(1200); 및 애노드(1100)와 캐소드(1200)에 사이에 개재되어 있고, 술폰화된 나노 섬유 웹으로 이루어져 애노드(1100)에 공급된 연료가스의 반응으로 생성된 프로톤(proton)이 캐소드(1200) 방향으로 이동되는 이온 교환 멤브레인(1000)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the membrane electrode assembly includes an anode 1100 to which fuel gas containing at least hydrogen is supplied; A cathode 1200 to which oxidant gas containing at least oxygen is supplied; And a proton generated by the reaction of the fuel gas supplied to the anode 1100 made of a sulfonated nanofiber web and sandwiched between the anode 1100 and the cathode 1200 toward the cathode 1200 And an ion exchange membrane (1000) that is moved.

이온 교환 멤브레인(1000)은 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 다수층으로 적층되어 있고 미세 기공을 갖고, 술폰화된 나노 섬유 웹으로 이루어져, 애노드(1100)에서 발생된 이온을 캐소드(1200)로 이동시키는 통상적인 고체 전해질 막의 기능을 수행한다.The ion exchange membrane 1000 comprises a plurality of nanofibers obtained by electrospinning a polymer material and has a plurality of layers, micropores, and a sulfonated nanofiber web. The ion exchange membrane 1000 separates ions generated in the anode 1100 from the cathode 1200, The solid electrolyte membrane of the present invention.

도 2를 참고하면, 애노드(1100)는 촉매층(1110)과 가스 확산층(1120)으로 이루어져 있고, 촉매가 포함된 촉매층(1110)은 이온 교환 멤브레인(1000)의 일측에 접촉되어 고정되고, 가스 확산층(1120)은 촉매층(1110)에 접촉되어 고정되어 있다. 애노드(1100) 측의 가스 확산층(1120)으로는 연료 가스가 공급되고, 이 연료 가스는 촉매층(1110)의 촉매와 전기화학반응이 일어나 프로톤을 발생한다. 발생된 프로톤은 이온 교환 멤브레인(1000)을 통해 캐소드 방향으로 이동한다.2, the anode 1100 is composed of a catalyst layer 1110 and a gas diffusion layer 1120. The catalyst layer 1110 containing the catalyst is contacted and fixed to one side of the ion exchange membrane 1000, (1120) is contacted and fixed to the catalyst layer (1110). A fuel gas is supplied to the gas diffusion layer 1120 on the anode 1100 side, and the fuel gas electrochemically reacts with the catalyst of the catalyst layer 1110 to generate protons. The generated protons move in the direction of the cathode through the ion exchange membrane 1000.

캐소드(1200)도 이온 교환 멤브레인(1000)의 타측에 접촉되어 순차적으로 고정되어 있는 촉매가 포함된 촉매층(1210)과 가스 확산층(1220)으로 구성된다. 캐소드(1200) 측의 가스 확산층(1220)에는 산화제 가스가 공급되고, 캐소드(1200) 측의 촉매층(1210)의 촉매는 이온 교환 멤브레인(1000)을 통해 이동된 프로톤과 산화제 가스의 산소를 반응시켜 물과 전자를 생성시킨다. 그러므로, 수소와 산소의 화학 반응에 의해 애노드와 캐소드 사이에 전위차가 발생되어 캐소드에서 애노드로 전류가 흐르게 됨으로써, 전기 에너지를 획득하여 발전을 할 수 있게 된다.The cathode 1200 is also composed of a catalyst layer 1210 and a gas diffusion layer 1220 which are in contact with the other side of the ion exchange membrane 1000 and are sequentially fixed. The oxidant gas is supplied to the gas diffusion layer 1220 on the cathode 1200 side and the catalyst of the catalyst layer 1210 on the cathode 1200 side reacts with the oxygen of the oxidant gas and the proton transferred through the ion exchange membrane 1000 It generates water and electrons. Therefore, a potential difference is generated between the anode and the cathode due to the chemical reaction between hydrogen and oxygen, so that current flows from the cathode to the anode, so that electric energy can be obtained and power generation can be performed.

촉매로는 연료 가스와 반응할 수 있고, 프로톤과 산소를 반응시킬 수 있는 모든 물질을 적용할 수 있으며, 촉매는 담체에 담지시켜 사용한다. 담체는 카본 분말, 활성탄 분말, 그래파이트 분말 등이 사용된다. 촉매가 담지된 담체는 이온 교환 멤브레인(1000)과 가스 확산층(1120,1220)의 접착력을 유지하기 위하여 바인더를 포함할 수 있다. 애노드(1100)와 캐소드(1200)의 가스 확산층은 전기 전도성을 갖는 다공체로 구성하고, 카본 페이퍼 또는 카본 부직포이다.As the catalyst, any substance capable of reacting with the fuel gas and reacting with the proton and oxygen can be applied, and the catalyst is supported on the carrier and used. As the carrier, carbon powder, activated carbon powder, graphite powder and the like are used. The carrier carrying the catalyst may include a binder to maintain the adhesion between the ion exchange membrane 1000 and the gas diffusion layers 1120 and 1220. The gas diffusion layers of the anode 1100 and the cathode 1200 are made of a porous material having electrical conductivity, and are carbon paper or carbon nonwoven fabric.

도 3을 참고하면, 애노드(1100)와 캐소드(1200)에는 세퍼레이터(1150,1250)가 각각 접착되어, 세퍼레이터(1150), 애노드(1100), 이온 교환 멤브레인(1000), 캐소드(1200), 세퍼레이터(1250)이 순차적으로 적층된 연료 전지의 셀을 구현하게 된다. 애노드(1100) 측의 가스 확산층(1120)에 세퍼레이터(1150)가 부착되고, 캐소드(1200) 측의 가스 확산층(1220)에 세퍼레이터(1250)가 부착된다. 3, separators 1150 and 1250 are bonded to the anode 1100 and the cathode 1200 to form a separator 1150, an anode 1100, an ion exchange membrane 1000, a cathode 1200, (1250) are sequentially stacked to form a cell of a fuel cell. A separator 1150 is attached to the gas diffusion layer 1120 on the anode 1100 side and a separator 1250 is attached to the gas diffusion layer 1220 on the cathode 1200 side.

세퍼레이터(1250)는 이온 교환 멤브레인(1000)의 양측에 연료 가스와 산화제가스를 공급하는 기능을 수행한다. 즉, 애노드(1100) 측에 설치되는 세퍼레이터(1250)에는 가스 유로가 설치되어 있고, 연료 가스가 가스 유로를 통하여 연료 가 공급된다. 이 연료 가스는 수소 가스를 함유하는 개질 가스로 가스 유로를 통하여 애노드(1100) 측의 가스 확산층(1120)의 표면을 따라 상방으로부터 하방으로 유통함으로써, 애노드(1100)에 연료 가스가 공급된다. 그리고, 캐소드(1200) 측에 설치되는 세퍼레이터(1250)에도 산화제 가스가 공급되는 가스 유로가 설치되어 있어, 세퍼레이터(1250)의 가스 유로를 통하여 산화제 가스가 캐소드(1200) 측의 가스 확산층(1220)으로 공급된다.The separator 1250 serves to supply fuel gas and oxidant gas to both sides of the ion exchange membrane 1000. That is, the separator 1250 provided on the anode 1100 side is provided with a gas flow path, and the fuel gas is supplied through the gas flow path. This fuel gas is supplied as a reformed gas containing hydrogen gas from the upper side to the lower side along the surface of the gas diffusion layer 1120 on the side of the anode 1100 through the gas flow path so that the fuel gas is supplied to the anode 1100. The oxidant gas is supplied to the gas diffusion layer 1220 on the cathode 1200 side through the gas flow path of the separator 1250. The separator 1250 is provided on the side of the cathode 1200, .

도 4를 참고하면, 도 3의 연료 전지의 셀들을 다수 적층하여 연료 전지 스택(2000)을 구현하고, 연료 가스 공급부(2100)에서 연료 전지 스택(2000)으로 연료 가스를 공급하고, 산화제 가스 공급부(2200)에서 연료 전지 스택(2000)으로 산화제 가스를 공급하면, 전력이 발생됨과 동시에 물이 생성되어 연료 전지 시스템은 물을 배출하게 된다.Referring to FIG. 4, a plurality of cells of the fuel cell of FIG. 3 are stacked to implement the fuel cell stack 2000, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply unit 2100 to the fuel cell stack 2000, When the oxidizing gas is supplied from the fuel cell stack 2000 to the fuel cell stack 2000, power is generated and water is generated and the fuel cell system discharges the water.

도 5를 참고하면, 고분자 물질을 전기방사하여 나노섬유가 다수층으로 적층되어 있고 미세 기공을 갖고, 술폰화된 나노 섬유 웹으로 이루어진 이온 교환 멤브레인을 제조하고(S1000), 이온 교환 멤브레인의 일측과 타측 각각에 촉매층을 형성(S1001) 및 가스 확산층을 적층(S1002)하여 멤브레인 전극 어셈블리를 제조한다. 이온 교환 멤브레인의 일측에 형성된 촉매층과 가스 확산층은 애노드이고, 이온 교환 멤브레인의 타측에 형성된 촉매층과 가스 확산층은 캐소드이다.5, an ion exchange membrane comprising a sulfonated nanofiber web having fine pores and a plurality of layers of nanofibers laminated by electrospinning a polymer material is prepared (S1000), and one side of the ion exchange membrane A catalyst layer is formed on each of the other sides (S1001) and a gas diffusion layer is laminated (S1002), thereby manufacturing a membrane electrode assembly. The catalyst layer and the gas diffusion layer formed on one side of the ion exchange membrane are the anode, and the catalyst layer and the gas diffusion layer formed on the other side of the ion exchange membrane are the cathode.

도 6은 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제1 실시예의 이온 교환 멤브레인을 형성하기 위한 전기방사장치의 개략도이다.6 is a schematic view of an electrospinning device for forming an ion exchange membrane of a first embodiment applied to a membrane electrode assembly according to the present invention.

도 6을 참고하면, 전기방사장치는 고분자 물질, 용매와 혼합된 방사용액이 저장되는 방사용액탱크(1)와, 고전압 발생기(미도시)가 연결된 다수의 방사노즐(41a,41b,41c,41d)이 다수 열/다수 행으로 배열된 멀티-홀(multi-hole)방사팩(40)을 포함한다. 방사용액탱크(1)에는 이온 교환 수지 입자가 더 혼합된 방사용액이 저장될 수 있다. 6, the electrospinning device includes a spinning liquid tank 1 for storing a polymer material, a spinning solution mixed with a solvent, and a plurality of spinning nozzles 41a, 41b, 41c, 41d (not shown) to which a high voltage generator Quot;) < / RTI > are arranged in multiple rows / multiple rows. The spinning liquid tank (1) may store a spinning solution in which ion exchange resin particles are further mixed.

방사팩(40)은 일정 속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 콜렉터(6)의 상측에 배치되며, 다수의 방사노즐(41a,41b,41c,41d)이 콜렉터(6)의 진행방향을 따라 간격을 두고 배열되어 있고, 또한, 다수의 방사노즐(41a,41b,41c,41d)이 콜렉터(6)의 진행방향에 직교하는 방향(즉, 콜렉터의 폭방향)을 따라 간격을 두고 배열되어 있다. 도 6에는 설명의 편의상 4개의 방사노즐(41a,41b,41c,41d)이 콜렉터(6)의 진행방향을 따라 간격을 두고 배열되어 있는 것을 나타낸 것이다.The radiation pack 40 is disposed above a grounded collector 6 in the form of a conveyor moving at a constant speed and a plurality of spinning nozzles 41a, 41b, 41c and 41d are arranged at intervals And the plurality of spinning nozzles 41a, 41b, 41c, and 41d are arranged at intervals along the direction orthogonal to the traveling direction of the collector 6 (i.e., the width direction of the collector). Fig. 6 shows that four spinning nozzles 41a, 41b, 41c and 41d are arranged at intervals along the advancing direction of the collector 6 for convenience of explanation.

콜렉터(6)의 진행방향을 따라 배열되는 방사노즐(41a,41b,41c,41d)은 예를 들어, 30-60개, 또는 필요에 따라 그 이상으로 배열될 수 있으며, 이와 같이 다수의 방사노즐을 사용하는 경우 콜렉터(6)의 회전속도를 증가시켜서 생산성 증대를 도모할 수 있다.The spinning nozzles 41a, 41b, 41c and 41d arranged along the traveling direction of the collector 6 can be arranged, for example, 30-60, or more if necessary, It is possible to increase the rotation speed of the collector 6 and to increase the productivity.

방사용액탱크(1)는 믹싱 모터(2a)를 구동원으로 사용하는 교반기(2)를 내장할 수 있으며, 도시되지 않은 정량 펌프와 이송관(3)을 통하여 각 열의 방사노즐(41~44)에 연결되어 있다.The spinning liquid tank 1 can contain an agitator 2 using a mixing motor 2a as a driving source and is connected to the spinning nozzles 41 to 44 of each row through a metering pump It is connected.

4열의 방사노즐(41a,41b,41c,41d)로부터 순차적으로 토출되는 고분자 방사용액은 고전압 발생기에 의하여 하전된 방사노즐(41a,41b,41c,41d)을 통과하면서 각각 초극세 섬유(5)로 방출되어, 일정 속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 콜렉터(6) 위에 초극세 섬유가 순차적으로 축적되어 나노 섬유 웹(7)이 형성된다. 여기서, 이온 교환 수지 입자가 더 혼합된 방사용액이 방사된 경우, 이온 교환 수지 입자가 분산된 나노 섬유로 이루어진 다층 나노 섬유 웹을 형성할 수 있다.The polymer spinning solution sequentially discharged from the four spinning nozzles 41a, 41b, 41c and 41d is discharged to the ultrafine fibers 5 while passing through the spinning nozzles 41a, 41b, 41c and 41d charged by the high voltage generator. The nanofiber web 7 is formed by sequentially accumulating microfine fibers on a collector 6 of a conveyor type moving at a constant speed. Here, when the spinning solution in which the ion exchange resin particles are further mixed is radiated, a multi-layered nanofiber web composed of nanofibers in which ion exchange resin particles are dispersed can be formed.

도 7은 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제1 실시예의 이온 교환 멤브레인의 제조공정 흐름도이고, 도 8은 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제1 실시예의 이온 교환 멤브레인의 다층 나노 섬유 웹에 술폰산기를 도입하는 일례의 방법을 설명하기 위한 개념적인 공정 단면도이다. FIG. 7 is a flow chart illustrating a process of manufacturing the ion exchange membrane of the first embodiment applied to the membrane electrode assembly according to the present invention, and FIG. 8 is a cross- Sectional view of a conceptual process for explaining an example method of introducing a sulfonic acid group.

도 7을 참고하면, 고분자 물질, 이온 교환 수지 입자, 용매를 혼합하여 방사용액을 제조한다(S10). 도 1의 방사용액탱크(1)에 방사용액을 넣어 전기방사를 수행하여, 나노 섬유 내부에 이온 교환 수지 입자가 분산되어 있는 다층 나노 섬유 웹(7)을 형성한다(S11). Referring to FIG. 7, a spinning solution is prepared by mixing a polymer material, ion exchange resin particles, and a solvent (S10). A spinning solution is put in the spinning solution tank 1 of Fig. 1 to conduct electrospinning, thereby forming a multi-layered nanofiber web 7 in which ion exchange resin particles are dispersed in the nanofiber (S11).

그 후, 다층 나노 섬유 웹에 술폰산기를 도입한다(S12). 도 8과 같이, 진한 황산, 발연황산, 클로로술폰산 중 하나와 탄화수소가 치환반응하는 술폰화(sulfonation) 반응이 일어나는 용액(150)에 다층 나노 섬유 웹(100)을 디핑(dipping)하여 다층 나노 섬유 웹(100)의 나노 섬유 및 이온 교환 수지 입자에 술폰기를 붙여주여 술폰산기의 도입이 이루어지는 것이 바람직하다. 선택적인 추가 공정으로, 다층 나노 섬유 웹(100)의 안정성 및 내구성 향상을 위하여 열처리 공정을 수행할 수 있다. 열처리 공정은 UV조사가 바람직하다. 물론, 열처리 공정 전에 건조 공정도 필요할 수 있다.Thereafter, a sulfonic acid group is introduced into the multi-layer nanofiber web (S12). As shown in FIG. 8, the multi-layered nanofiber web 100 is dipped into a solution 150 in which a sulfonation reaction occurs in which one of the concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid, and chlorosulfonic acid is substituted with a hydrocarbon, It is preferable that a sulfonic acid group is introduced by attaching sulfone groups to the nanofibers and ion exchange resin particles of the web 100. As an optional additional step, a heat treatment process may be performed to improve the stability and durability of the multi-layer nanofiber web 100. The heat treatment process is preferably UV irradiation. Of course, a drying process may also be required prior to the heat treatment process.

이로써, 다층 나노 섬유 웹의 나노 섬유 및 이온 교환 수지 입자에는 술폰기(sulfonic acid group, -SO3H)가 붙어있게 된다.As a result, the sulfonic acid group (-SO 3 H) is attached to the nanofibers and the ion exchange resin particles of the multi-layer nanofiber web.

더불어, 본 발명에서는 도 7 및 도 10에 에어 전기 방사 및 에어 전기 분사라 도시되어 있지만 이에 국한되는 것이 아니고, 에어 전기 방사라 도시한 것도 전기를 이용한 방사 공정이면 모두 적용할 수 있고, 특히 전기 분사 공정은 전기방사(electrospinning), 에어 전기방사(AES: Air-Electrospinning), 원심전기방사(centrifugal electrospinning), 플래쉬 전기방사(flash-electrospinning) 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 에어 전기 분사도 전기를 이용한 모든 분사 공정을 적용할 수 있다. 7 and 10, the present invention is not limited to the air electric radiation and the air electric discharge, but the air electric discharge may be applied to any spinning process using electricity. In particular, The process may use any one of electrospinning, air-electrospinning (AES), centrifugal electrospinning, flash-electrospinning, and air- All injection processes can be applied.

도 9는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제2 실시예의 이온 교환 멤브레인을 형성하기 위한 전기방사 및 전기분사장치의 개략도이다.9 is a schematic diagram of an electrospinning and electrospray device for forming an ion exchange membrane of a second embodiment applied to a membrane electrode assembly according to the present invention.

본 발명에 적용된 전기 방사 및 전기 분사 방법은 제1 및 제2 방사 용액이 방사되는 방사노즐(41,43) 및 분사 용액이 분사되는 분사노즐(42)과 콜렉터(6) 사이에 고전압 정전기력을 인가함에 의해 콜렉터(6)에 제1 다층 나노 섬유 웹, 이온 교환 수지 입자, 제2 다층 나노 섬유 웹을 순차적으로 1차 방사, 분사, 2차 방사하여 제1 및 제2 다층 나노 섬유 웹이 적층된 내부에 이온 교환 수지 입자를 분산시킬 수 있게 된다.The electrospinning and electrospraying method applied to the present invention is a method of applying a high voltage electrostatic force between the spinning nozzles 41 and 43 through which the first and second spinning solutions are radiated and between the injection nozzle 42 and the collector 6 through which the spinning solution is injected , The first multi-layered nanofiber web, the ion-exchange resin particles, and the second multi-layered nanofiber web are successively firstly radiated, jetted, and secondly radiated to the collector 6 to form the first and second multi- It becomes possible to disperse the ion exchange resin particles inside.

여기서, 방사노즐(41,43)에서 방사 공정 및 분사노즐(42)에서 분사 공정 시, 에어(4a)를 분사시킴으로써, 방사된 나노 섬유(5) 및 분사된 비드(bead)가 콜렉터(6)에 포집되지 못하고 날리는 것을 방지할 수 있다. The injected nanofibers 5 and the injected beads are injected into the collector 6 by spraying the air 4a during the spinning process in the spinning nozzles 41 and 43 and the spinning process in the spinning nozzle 42. [ So that it can be prevented from being blown.

도 9를 참고하면, 본 발명의 전기 방사 및 전기 분사 장치는 믹싱 모터(2a)를 구동원으로 사용하는 교반기(2)를 내장하고 있고 교반된 방사 용액을 공급하는 방사 노즐(41,43)과 연결되어 있는 제1 방사용액탱크(1)와, 상기 제1 방사용액탱크(1)와 유사하게 믹싱 모터(2a)를 구동원으로 사용하는 교반기(2)를 내장하고 있고 교반된 분사 용액을 공급하는 분사 노즐(42)과 연결되어 있는 제2 방사용액탱크(1a)를 포함하며, 방사 노즐(41,43) 및 분사 노즐(42)는 고전압 발생기와 연결되어 있다.9, the electrospinning and electric spraying apparatus of the present invention includes a stirrer 2 that uses a mixing motor 2a as a driving source and is connected to spinning nozzles 41 and 43 for supplying a stirred spinning solution And an agitator 2 which uses a mixing motor 2a as a driving source similar to the first spinous liquid tank 1 and which contains a spraying liquid And a second spinning liquid tank 1a connected to the nozzle 42. The spinning nozzles 41 and 43 and the spraying nozzle 42 are connected to the high voltage generator.

여기서, 동일한 성분(고분자 물질과 용매)으로 이루어진 방사 용액에서 방사된 나노 섬유로 제1 및 제2 다층 나노 섬유 웹을 형성하는 것을 전제로 하여 제1 방사용액탱크(1)에 두개의 방사 노즐(41,43)을 연결한 것이나, 제1 및 제2 다층 나노 섬유 웹을 형성하기 위한 방사 용액의 성분이 다른 경우, 두개의 방사용액탱크에서 다른 성분의 방사 용액을 넣고, 하나의 방사용액탱크에 방사 노즐 '41'을 연결하고, 다른 하나의 방사용액탱크에는 방사 노즐 '43'을 연결하여 구성할 수 있다.Here, assuming that the first and second multi-layered nanofiber webs are formed of the nanofibers radiated from the spinning solution composed of the same components (the polymer substance and the solvent), two spinning nozzles 41, 43), or when the components of the spinning solution for forming the first and second multi-layered nanofiber webs are different, the spinning solution of the other component is put in the two spinning solution tanks, And the spinning nozzle '41' is connected to the spinning nozzle '43', and the spinning nozzle '43' is connected to the other spinning solution tank.

방사노즐(40)은 일정 속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 콜렉터(6)의 상측에 배치되며, 콜렉터(6)의 진행방향을 따라 간격을 두고 다수 열로 배치되어 있을 수 있고, 각 열마다 다수의 방사노즐로 이루어질 수 있다. The spinning nozzle 40 may be disposed on a conveyor-type grounded collector 6 moving at a constant speed and may be arranged in a plurality of rows spaced along the traveling direction of the collector 6, Of the spinneret.

제1 방사용액탱크(1)는 도시되지 않은 정량 펌프와 이송관(3)을 통하여 제1 및 제2 방사노즐(41,43)에 연결되며, 제2 방사용액탱크(1a)도 정량 펌프(미도시)와 이송관(미도시)을 통하여 분사노즐(42)에 연결되어 있다.The first spinning liquid tank 1 is connected to the first and second spinning nozzles 41 and 43 through a metering pump and a transfer tube 3 which are not shown and the second spinning liquid tank 1a is also connected to a metering pump (Not shown) and a delivery pipe (not shown).

방사 노즐(41,43)로부터 순차적으로 토출되는 고분자 방사용액은 고전압 발생기에 의하여 하전된 방사노즐(41,43)을 통과하면서 각각 나노 섬유(5)로 방출되어, 일정 속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 콜렉터(6) 위에 나노 섬유가 순차적으로 적층되어 다공성 나노 섬유 웹이 형성된다. The polymer spinning solution sequentially discharged from the spinning nozzles 41 and 43 is discharged to the nanofibers 5 while passing through the spinning nozzles 41 and 43 charged by the high voltage generator, The nanofibers are sequentially laminated on the grounded collector 6 to form a porous nanofiber web.

그리고, 분사용액은 하전된 분사 노즐(42)에서 비드화되어 제1 나노 섬유 웹에 분사되고, 분사된 비드(baea)는 제1 나노 섬유 웹에 도달시 대부분의 용매는 휘발되어 제1 나노 섬유 웹에는 이온 교환 수지 입자가 분산되어 안착된다.When the sprayed bead is injected into the first nanofiber web and the sprayed bead reaches the first nanofiber web, most of the solvent is volatilized so that the first nanofiber The ion exchange resin particles are dispersed and settled on the web.

본 발명에서는 방사노즐(41,43)마다 에어(4a) 분사가 이루어지는 에어 전기방사 방법에 의해 전기방사가 이루어질 때 방사노즐의 외주로부터 에어(Air) 분사가 이루어져서 휘발성이 빠른 고분자로 이루어진 섬유를 에어가 포집하고 집적시키는 데 역할을 해 줌으로써 보다 강성이 높은 분리막을 생산할 수 있다.In the present invention, air is injected from the outer periphery of the spinning nozzle when the spinning nozzle is sprayed by the air electrospinning method in which air 4a is sprayed for each spinning nozzle 41 and 43, It is possible to produce a membrane having a higher rigidity.

대량생산을 위해 복수의 멀티-홀 방사팩을 사용하는 경우 상호 간섭이 발생하여 섬유가 날려 다니면서 포집이 이루어지지 않게 되어 얻어지는 나노 섬유 웹은 너무 벌키(bulky)해짐에 따라 방사 트러블(trouble) 원인으로 작용한다. When a plurality of multi-hole radiation packs are used for mass production, mutual interference occurs and the fibers are blown away and are not collected. As a result, the nanofiber web obtained becomes too bulky and causes radiation trouble .

그러므로, 본 발명에서는 방사노즐(41,43) 주변에 에어(Air) 분사하여 섬유(fiber)가 날아다니면서 발생할 수 있는 방사 트러블(trouble)을 최소화 할 수 있게 된다.Therefore, according to the present invention, it is possible to minimize radiation troubles that may occur when air is blown around the spinning nozzles 41 and 43 to fly the fibers.

동일하게, 분사노즐(42)에서도 에어 분사하게 되면, 제1 다층 나노 섬유 웹(7)으로 분사된 비드가 잘 안착될 수 있게 도와주고, 분사 용액의 비드가 날아다는 것을 방지할 수 있다.In the same manner, when air is jetted from the injection nozzle 42, the beads injected into the first multi-layered nanofiber web 7 can be well seated and the beads of the injection solution can be prevented from flying.

본 발명에서 사용하는 방사 노즐(41,43) 및 분사 노즐(42)의 외주에는 다수의 에어분사노즐(미도시)이 설치되어 있으며, 에어분사노즐은 방사 노즐(41,43)에서 방사된 나노 섬유 및 분사 노즐(42)에서 분사된 분사용액의 비드들을 가이드하여 집적할 수 있게 한다. 에어 분사의 에어압이 0.1~0.6MPa 범위로 설정된다. 이 경우 에어압이 0.1MPa 미만인 경우 포집/집적에 기여를 하지 못하며, 0.6MPa를 초과하는 경우 방사노즐의 콘을 굳게 하여 니들을 막는 현상이 발생하여 방사 트러블이 발생한다.A plurality of air injection nozzles (not shown) are provided on the outer circumference of the spinning nozzles 41 and 43 and the injection nozzles 42 used in the present invention. The fibers and the beads of the spray liquid sprayed from the spray nozzle 42 can be guided and integrated. The air pressure of the air injection is set in the range of 0.1 to 0.6 MPa. In this case, when the air pressure is less than 0.1 MPa, it can not contribute to the collection / accumulation. When the air pressure exceeds 0.6 MPa, the cone of the spinning nozzle is hardened, and the needle is closed to cause radiation trouble.

도 9에 도시된 전기 방사 및 전기 분사 장치는 2개의 방사노즐(41,43)에 의해 2층으로 적층된 나노 섬유 웹(7)을 형성하는 것을 예시하고 있으나, 분사노즐(42)에서 분사용액이 분사되기 전(前) 공정의 방사노즐(41)과 분사된 후(後) 공정의 방사노즐(43) 각각은 다수로 형성하여, 분사노즐(42)에서 분사용액이 분사되기 전(前) 공정의 제1 다층 나노 섬유 웹과 분사노즐(42)에서 분사용액이 분사되기 후(後) 공정의 제2 다층 나노 섬유 웹 각각을 다수의 행과 다수의 열로 다수의 방사노즐이 배열된 멀티-홀 방사팩을 적용하여 각 층마다 초박막으로 이루어진 다층구조의 나노섬유 웹으로 구현할 수 있다.Although the electrospinning and electric spraying apparatus shown in Fig. 9 exemplifies formation of the two-layered nanofiber web 7 by two spinning nozzles 41 and 43, The spinneret 41 of the previous process and the spinneret 43 of the post-process after the spinneret are formed in a plurality of ways so that the spinneret 42 is sprayed before the spinneret is sprayed. Layer nanofibrous web of the process and the second multi-layered nanofiber web of the (post) process after the spraying liquid is sprayed from the spray nozzle 42 are each passed through a multi-layered nanofiber web in which a plurality of spinning nozzles are arranged in a plurality of rows and a plurality of rows, Layered nanofibrous web composed of an ultra thin film for each layer by applying a hole spinning pack.

이렇게 하여 전기 방사 및 전기 분사에 의해 이온 교환 수지 입자가 분산되어 있는 2층으로 적층된 나노 섬유 웹(7)을 형성한 후, 2층으로 적층된 나노 섬유 웹을 열압착하는 캘린더링 공정을 선택적으로 수행할 수 있다. 캘린더링 공정에서는 가열 압착롤러(미도시)를 사용하여 진행할 수 있다. 이 경우 라미네이션(Lamination) 온도가 너무 낮으면 웹(web)이 너무 벌키(Bulky)해져서 강성을 갖지 못하고 너무 높으면 웹이 녹아 기공(Pore)이 막히게 된다. Thus, a nanofiber web 7 laminated in two layers in which ion exchange resin particles are dispersed by electrospinning and electrospinning is formed, and then a calendering process for thermally pressing the laminated nanofiber web 2 layers is selected . ≪ / RTI > In the calendering step, a heating press roller (not shown) may be used. In this case, if the lamination temperature is too low, the web becomes too bulky and not rigid, and if it is too high, the web melts and the pores become clogged.

그리고, 외부 표면층을 형성하는 웹에 잔존해 있는 용매를 완전히 휘발할 수 있는 온도에서 열압착이 이루어져야 하며, 다층 구조의 나노 섬유 웹이므로 각 층별로 용매가 휘발되는 정도의 차이로 인해 웹의 구조적 차이가 있다. In addition, since the nanofiber web having a multi-layer structure is required to be thermocompression-bonded at a temperature at which the solvent remaining in the web forming the outer surface layer can be completely volatilized, the structure difference of the web .

도 10은 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제2 실시예의 이온 교환 멤브레인의 제조공정 흐름도이고, 도 11a 내지 도 11c는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제2 실시예의 이온 교환 멤브레인의 나노 섬유 웹의 제조공정을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다. FIG. 10 is a flow chart showing a manufacturing process of the ion exchange membrane of the second embodiment applied to the membrane electrode assembly according to the present invention. FIGS. 11A to 11C are cross- And is a conceptual cross-sectional view for explaining the manufacturing process of the web.

고분자물질과 용매를 혼합하여 제1 방사용액을 제조하고, 제1 방사용액을 제1 전기방사하여 제1 다층 나노 섬유 웹을 형성하고, 이온 교환 수지 입자와 용매를 혼합하여 분사용액을 제조하고, 전기분사를 수행하여 제1 다층 나노 섬유 웹에 이온 교환 수지 입자를 분산시키고, 고분자물질과 용매를 혼합하여 제2 방사용액을 제조하고, 제2 방사용액을 제2 전기방사하여 이온 교환 수지 입자가 분산된 제1 다층 나노 섬유 웹에 제2 다층 나노 섬유 웹을 적층하여 형성하고, 적층된 제1 및 제2 다층 나노 섬유 웹에 술폰산기의 도입하여 술폰화된 나노 섬유 웹을 이용한 액체처리 케미컬 필터를 제작한다. Preparing a first spinning solution by mixing the polymer material and a solvent, first spinning the first spinning solution to form a first multi-layered nanofiber web, mixing the ion exchange resin particles and the solvent to prepare a solution for dispersion, Ion-exchange resin particles are dispersed in the first multi-layered nanofiber web by performing electrospinning, the second spinning solution is prepared by mixing the polymer material and the solvent, and the second spinning solution is electrospun into the second spinning solution, Layered nanofiber web on a dispersed first multi-layered nanofiber web and introducing a sulfonic acid group into the first and second multi-layered nanofiber webs to form a liquid-treated chemical filter using a sulfonated nanofiber web .

도 10을 참고하면, 먼저, 고분자물질과 용매를 혼합하여 제1 방사용액을 제조하고(S100), 제1 방사용액을 전기방사하여 제1 다층 나노 섬유 웹을 형성한다(S110). 그 후, 이온 교환 수지 입자와 용매를 혼합하여 분사용액을 제조하고(S120), 전기분사를 수행하여 이온 교환 수지 입자를 제1 다층 나노 섬유 웹에 분산시킨다(S130). 그 다음, 고분자물질과 용매를 혼합하여 제2 방사용액을 제조하고(S140), 제2 방사용액을 제2 에어 전기방사하여 이온 교환 수지 입자가 분산된 제1 다층 나노 섬유 웹에 제2 다층 나노 섬유 웹을 적층한다(S150). 그 후, 적층된 제1 및 제2 다층 나노 섬유 웹에 술폰산기를 도입하고(S160), 선택적으로 열처리 공정을 수행한다(S170).Referring to FIG. 10, first, a first spinning solution is prepared by mixing a polymer material and a solvent (S100), and a first spinning solution is electrospun to form a first multi-layered nanofiber web (S110). Thereafter, the ion exchange resin particles and the solvent are mixed to prepare a solution for dispersion (S120), and the ion exchange resin particles are dispersed in the first multi-layered nanofiber web (S130). Then, a second spinning solution is prepared (S140) by mixing the polymer material and a solvent, and the second spinning solution is subjected to second air air spinning so that the first multilayer nanofiber web in which the ion exchange resin particles are dispersed, A fiber web is laminated (S150). Thereafter, sulfonic acid groups are introduced into the laminated first and second multi-layered nanofiber webs (S160), and a heat treatment process is selectively performed (S170).

전술된 공정을 수행하여 나노 섬유 외측에 이온 교환 수지 입자가 분산되어 있고, 나노 섬유와 이온 교환 수지 입자에 술폰산기가 붙어 있는 액체처리 케미컬 필터를 제작하게 된다. The liquid processing chemical filter having the nanofibers and the sulfonic acid groups attached to the nanofibers and the ion exchange resin particles is produced.

여기서, 제1 방사용액과 제2 방사용액 성분이 동일하게 한 경우, 고분자물질과 용매를 혼합하여, 전기방사를 위해 전술한 도 9의 교반탱크(1)에 넣고, 분사노즐(42)에서 분사용액이 분사되기 전(前) 공정의 방사노즐(41)과 분사된 후(後) 공정의 방사노즐(43) 각각으로 교반탱크(1)의 방사용액을 공급하고, 제1 방사용액과 제2 방사용액의 성분이 다른 경우, 하나의 교반탱크에 제1 방사용액을 넣고, 다른 하나의 교반탱크에 제2 방사용액을 넣어, 분사용액이 분사되기 전(前) 공정의 방사노즐(41)에 제1 방사용액이 공급되도록 하고, 분사용액이 분사된 후(後) 공정의 방사노즐(43)에 제2 방사용액이 공급되도록 한다.In this case, when the first spinning solution and the second spinning solution component are the same, the polymer material and the solvent are mixed and put into the stirring tank 1 of FIG. 9 for electrospinning and sprayed from the spraying nozzle 42 The spinning solution of the stirring tank 1 is supplied to the spinneret 41 of the previous process before the spinning solution is sprayed and to the spinning nozzle 43 of the spinning process after the spinning process, When the components of the spinning solution are different, the first spinning solution is put in one stirring tank, the second spinning solution is put in the other stirring tank, and the spinning solution is sprayed to the spinning nozzle 41 So that the first spinning solution is supplied and the second spinning solution is supplied to the spinning nozzle 43 of the (post) spinning process after the spinning solution is injected.

도 11a 내지 도 11c를 참고하면, 방사노즐(41)에서 제1 방사용액을 에어 전기방사하여 나노 섬유(110)로 이루어진 제1 나노 섬유 웹(100)을 형성하고(도 11a), 분사노즐(42)에서 분사용액을 전기분사하여 제1 나노 섬유 웹(100)에 이온교환수지 입자(300)을 분사시켜 안착시킨다(도 11b). 여기서, 분사노즐(42)에서 분사용액은 비드(bead)(310) 상태로 분사되고, 대부분의 용매는 휘발되고 이온교환수지 입자(300)만 제1 나노 섬유 웹(100)에 안착된다. 그 후, 방사노즐(43)에서 제2 방사용액을 전기방사하여 제1 나노 섬유 웹(100)에 나노 섬유(210)로 이루어진 제2 나노 섬유 웹(200)을 적층한다(도 11c).11A to 11C, a first spinning liquid is air-radiated from a spinning nozzle 41 to form a first nanofiber web 100 made of nanofibers 110 (FIG. 11A) 42), the ion exchange resin particles 300 are injected into the first nanofiber web 100 to be seated (FIG. 11B). In this case, the liquid fraction is injected in the bead 310 in the injection nozzle 42, most of the solvent is volatilized, and only the ion exchange resin particles 300 are seated in the first nanofiber web 100. Thereafter, the second spinning solution is electrospun by the spinning nozzle 43 to laminate the second nanofiber web 200 made of the nanofibers 210 in the first nanofiber web 100 (FIG. 11C).

본 발명에서는 이온교환수지 입자와 용매가 혼합된 분사용액은 분사노즐에서 비드 상태로 분사되고, 분사된 비드는 제1 나노 섬유 웹에 도달될 때 대부분의 용매는 휘발된다. 그러므로, 이온교환수지 입자가 흩터진 상태로 제1 나노 섬유 웹의 다양한 위치에 안착되어 분산되는 것이다. In the present invention, the fractional solution in which the ion exchange resin particles and the solvent are mixed is injected in the bead state from the injection nozzle, and most of the solvent is volatilized when the injected bead reaches the first nanofiber web. Therefore, the ion exchange resin particles are segregated and dispersed in various positions of the first nanofiber web in a dispersed state.

분사노즐에서 분사된 비드는 용매가 이온교환수지 입자을 감싸고 있는 상태로, 이온교환수지 입자를 대부분 내포하고 있으며, 제1 나노 섬유 웹 방향으로 하강되면서 용매가 휘발되어 비드 크기는 작아지기 때문에, 분사노즐에서 최초 분사된 비드의 크기가 가장 크고, 제1 나노 섬유 웹에 인접된 비드 크기는 분사노즐에서 최초 분사된 비드의 크기보다 상대적으로 작다. 제1 나노 섬유 웹에 도달되면 대부분의 용매는 휘발되고 이온교환수지 입자는 제1 나노 섬유 웹 상의 다양한 위치에 안착되어 분포하게 된다. Since the beads injected from the injection nozzle contain most of the ion exchange resin particles in a state in which the solvent surrounds the ion exchange resin particles and the solvent is volatilized while descending toward the first nanofiber web, And the bead size adjacent to the first nanofiber web is relatively smaller than the size of the beads originally injected from the injection nozzle. Upon reaching the first nanofiber web, most of the solvent is volatilized and the ion exchange resin particles are deposited and distributed at various locations on the first nanofiber web.

한편, 본 발명의 제2 실시예에서는 이온교환수지 입자가 제1 나노 섬유 웹의 나노 섬유 외측에 무질서하게 분산되어 있는 것을 특징으로 하는데, 제1 나노 섬유 웹에 이온교환수지 입자가 안착되어 있는 상태로 이온 교환 멤브레인을 구현하게 되면, 이온교환수지 입자는 외력에 의해 이동하여 국부적인 영역에 집중적으로 위치될 가능성이 있다. 이 경우, 이온교환수지 입자가 분포되어 있지 않은 영역에서는 이온 교환 효율이 저하된다.On the other hand, in the second embodiment of the present invention, the ion exchange resin particles are randomly dispersed outside the nanofibers of the first nanofiber web. In the state where the ion exchange resin particles are seated on the first nanofiber web , It is possible that the ion exchange resin particles migrate by external force and are concentrated in a local region. In this case, the ion exchange efficiency is lowered in the region where the ion exchange resin particles are not distributed.

이에, 본 발명에서는 분사된 이온교환수지 입자의 움직임을 최소화시키기 위하여 제1 나노 섬유 웹에 분사된 이온교환수지 입자가 안착된 최초 위치를 고정하기 위한 락킹(locking)용 제2 나노 섬유 웹을 제1 나노 섬유 웹에 더 형성하는 것이다.Accordingly, in order to minimize the movement of the sprayed ion exchange resin particles, a second nanofiber web for locking to fix the initial position where the ion exchange resin particles sprayed on the first nanofiber web is seated is provided. 1 < / RTI > nanofiber web.

도 12a와 도 12b는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제3 실시예의 이온 교환 멤브레인의 제조공정 흐름도이고, 도 13a 내지 도 13c는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리에 적용된 제4 실시예의 이온 교환 멤브레인의 제조공정 흐름도이고, 도 14는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 다른 일례의 제조공정 흐름도이고, 도 15는 본 발명에 따른 연료 전지의 다른 일례의 제조공정 흐름도이다.FIGS. 12A and 12B are flow charts of a process for manufacturing an ion exchange membrane according to a third embodiment applied to a membrane electrode assembly according to the present invention. FIGS. 13A to 13C are cross-sectional views illustrating an ion exchange membrane according to a fourth embodiment applied to a membrane electrode assembly according to the present invention. FIG. 14 is a flow chart of a manufacturing process of another example of the membrane electrode assembly according to the present invention, and FIG. 15 is a flowchart showing a manufacturing process of another example of the fuel cell according to the present invention.

도 12a와 도 12b를 참고하면, 전술된 바와 같이 술폰화된 나노 섬유 웹(1000)을 형성한 후, 고분자 물질, 용매, 촉매가 담지된 담체 분말이 혼합된 방사용액을 제조하고, 이 방사용액을 방사노즐(45,46)에서 나노 섬유 웹(1000) 일측과 타측 각각에 에어 전기방사하여 나노 섬유 내부에 촉매가 담지된 담체 분말이 분산되어 있는 나노 섬유 웹으로 이루어진 촉매층(3100,3200)을 형성한다. 여기서, 촉매가 담지된 담체 분말이 나노 섬유 내부에 분산되어 있는 경우, 촉매가 담지된 담체 분말의 일부는 나노 섬유 표면에 노출되어 전술된 반응에 참여하는 것이 바람직하다.Referring to FIGS. 12A and 12B, a sulfonated nanofiber web 1000 is formed as described above, a spinning solution in which a polymer material, a solvent, and a carrier powder carrying a catalyst are mixed is prepared, And the catalyst layers 3100 and 3200 made of a nanofiber web in which carrier powder carrying a catalyst is dispersed in the inside of the nanofiber is discharged by air spinning to the one side and the other side of the nanofiber web 1000 by the spinning nozzles 45 and 46 . In this case, when the carrier-supported carrier powder is dispersed in the nanofiber, it is preferable that a part of the carrier-loaded carrier powder is exposed to the surface of the nanofiber to participate in the above-mentioned reaction.

도 13a 내지 도 13c를 참고하면, 촉매층은 나노 섬유 내부 또는 외측에 촉매가 담지된 담체 분말이 분산되어 있는 나노 섬유 웹으로 구현할 수 있다. 즉, 도 13a에서 고분자 물질, 용매, 촉매가 담지된 담체 분말이 혼합된 방사용액을 제조하고, 이 방사용액을 방사노즐(45)에서 술폰화된 나노 섬유 웹(1000)에 에어 전기방사하여 나노 섬유 내부에 촉매가 담지된 담체 분말이 분산되어 있는 제1 나노 섬유 웹 구조(3310)을 형성하고, 도 13b에서 촉매가 담지된 담체 분말과 용매가 혼합된 분사용액을 제조하고, 이 분사용액을 분사노즐(47)에서 비드(510)를 전기분사하여 제1 나노 섬유 웹 구조(3310)의 나노 섬유 외측에 촉매가 담지된 담체 분말(500)을 분산시킨다. 이 경우, 촉매가 담지된 담체 분말(500)은 제1 나노 섬유 웹 구조(3310)의 나노 섬유 외측에 흩어지게 된다. 그 후, 도 13c에서 제1 나노 섬유 웹 구조(3310)에 방사노즐(48)에서 에어 전기방사하여 나노 섬유 내부에 촉매가 담지된 담체 분말이 분산되어 있는 제2 나노 섬유 웹 구조(3330)을 형성한다.13A to 13C, the catalyst layer can be realized as a nanofiber web in which a carrier powder on which a catalyst is supported is dispersed in the inside or outside of the nanofiber. 13A, a spinning solution in which a polymer material, a solvent, and a carrier powder bearing a catalyst are mixed is prepared. The spinning solution is air-radiated to the sulfonated nanofiber web 1000 from the spinning nozzle 45, A first nanofiber web structure 3310 in which a carrier powder carrying a catalyst is dispersed is formed in the fiber, a dispersion solution in which a catalyst-supported carrier powder and a solvent are mixed is prepared in Fig. 13B, The bead 510 is sprayed from the injection nozzle 47 to disperse the carrier powder 500 carrying the catalyst on the outside of the nanofibers of the first nanofiber web structure 3310. In this case, the carrier-supported carrier powder 500 is scattered outside the nanofibers of the first nanofiber web structure 3310. Thereafter, in FIG. 13C, the second nanofiber web structure 3330 in which the carrier powder carrying the catalyst is dispersed is air-radiated from the spinning nozzle 48 to the first nanofiber web structure 3310 .

술폰화된 나노 섬유 웹(1000)은 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 적층되어 있고, 미세 기공을 갖는 다층 나노 섬유 웹; 상기 나노 섬유 내부 또는 외측에 분산되어 있는 이온 교환 수지 입자; 및 상기 다층 나노 섬유 웹에 도입된 술폰산기를 포함하는 구조, 또는 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 적층되어 있고, 미세 기공을 갖는 제1 다층 나노 섬유 웹; 상기 제1 다층 나노 섬유 웹에 분산되어 있으며, 상기 나노 섬유 외측에 위치되어 있는 이온 교환 수지 입자; 상기 이온 교환 수지 입자의 움직임을 방지하기 위하여, 상기 제1 다층 나노 섬유 웹에 적층된 제2 다층 나노 섬유 웹; 및 상기 제1 및 제2 나노 섬유 웹에 도입된 술폰산기를 포함하는 구조이다.The sulfonated nanofiber web 1000 is a multilayer nanofiber web having fine pores, in which nanofibers obtained by electrospinning a polymer material are stacked; An ion exchange resin particle dispersed in the inside or outside of the nanofiber; And a first multilayer nanofiber web having fine pores, wherein the nanofibers are laminated with a structure containing a sulfonic acid group introduced into the multi-layer nanofiber web, or a nanofiber obtained by electrospinning a polymer material; Ion exchange resin particles dispersed in the first multi-layer nanofiber web and positioned outside the nanofibers; A second multi-layer nanofiber web laminated to the first multi-layer nanofiber web to prevent movement of the ion exchange resin particles; And a sulfonic acid group introduced into the first and second nanofiber webs.

이로써, 본 발명은 촉매층을 나노 섬유 웹으로 형성하여 나노 섬유 웹으로 이루어진 이온 교환 멤브레인에 일체화시킴으로써, 촉매층과 이온 교환 멤브레인의 접착력을 향상시켜, 계면 저항을 현저하게 낮출 수 있어 우수한 전지 성능을 구현할 수 있으며, 기계적인 강도를 우수하게 할 수 있는 것이다.Thus, the present invention can improve the adhesion between the catalyst layer and the ion exchange membrane by significantly reducing the interfacial resistance by forming the catalyst layer into a nanofiber web and integrating it into the ion exchange membrane made of the nanofiber web, And the mechanical strength can be improved.

도 14를 참고하면, 전기 전도성을 갖는 다공체로 이루어진 가스 확산층(3610,3620)을 촉매층(3510,3520)에 부착하여 멤브레인 전극 어셈블리를 완성하고, 도 15와 같이, 세퍼레이터(5000)를 애노드와 캐소드의 가스 확산층(3610,3620) 각각에 부착하여 연료 전지를 완성한다.14, gas diffusion layers 3610 and 3620 made of a porous material having electrical conductivity are attached to the catalyst layers 3510 and 3520 to complete the membrane electrode assembly, and the separator 5000 is connected to the anode and cathode The gas diffusion layers 3610 and 3620 of the gas diffusion layers 3610 and 3620, respectively.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limited to the embodiments set forth herein. Various changes and modifications may be made by those skilled in the art.

1000:이온 교환 멤브레인 1100:애노드
1110,1210:촉매층 1120,1220:가스 확산층
1150:세퍼레이터 1200:애노드
2000:연료전지 2100:연료 가스 공급부
2200:산화제 가스 공급부1000: ion exchange membrane 1100: anode
1110, 1210: catalyst layers 1120, 1220: gas diffusion layer
1150: separator 1200: anode
2000: Fuel cell 2100: Fuel gas supply part
2200: oxidizing gas supply part

Claims (14)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 술폰화된 나노 섬유 웹층을 형성하는 단계;
고분자 물질, 용매, 촉매가 담지된 담체 분말이 혼합된 방사용액을 상기 술폰화된 나노 섬유 웹층 상에 전기방사하여 나노 섬유 내부에 촉매가 담지된 담체 분말이 분산되어 있는 나노 섬유 웹으로 이루어진 촉매층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 술폰화된 나노 섬유 웹층을 형성하는 단계는, 고분자물질과 용매를 혼합하여 제1 방사용액을 제조하는 단계; 상기 제1 방사용액을 전기방사하여 제1 나노 섬유 웹층을 형성하는 단계; 이온 교환 수지 입자와 용매를 혼합하여 분사용액을 제조하는 단계; 상기 분사용액을 상기 제1 나노 섬유 웹층에 전기분사하여 상기 이온 교환 수지 입자를 분산시키는 단계; 고분자물질과 용매를 혼합하여 제2 방사용액을 제조하는 단계; 상기 제2 방사용액을 상기 이온 교환 수지 입자가 분산된 제1 나노 섬유 웹층에 전기방사하여 제2 나노 섬유 웹층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 나노 섬유 웹층에 술폰산기를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 멤브레인의 제조 방법.Forming a sulfonated nanofiber web layer;
A spinning solution containing a polymer material, a solvent and a carrier powder on which a catalyst is supported is electrospun on the sulfonated nanofiber web layer to form a catalyst layer comprising a nanofiber web in which carrier powder carrying a catalyst is dispersed in the nanofiber And
The step of forming the sulfonated nanofiber web layer comprises: preparing a first spinning solution by mixing a polymer material and a solvent; Forming a first nanofiber web layer by electrospinning the first spinning solution; Mixing the ion exchange resin particles with a solvent to prepare a solution for fractionation; Dispersing the ion exchange resin particles by electrospraying the dispersion liquid to the first nanofiber web layer; Mixing a polymer material and a solvent to prepare a second spinning solution; Forming a second nanofiber web layer by electrospinning the second spinning solution on a first nanofiber web layer in which the ion exchange resin particles are dispersed; And introducing a sulfonic acid group into the first and second nanofiber web layers. 술폰화된 나노 섬유 웹층을 형성하는 단계;
고분자 물질, 용매, 촉매가 담지된 담체 분말이 혼합된 방사용액을 제조하는는 단계;
상기 방사용액을 전기방사하여 나노 섬유 내부에 촉매가 담지된 담체 분말이 분산되어 있는 제1 촉매층을 형성하는 단계;
촉매가 담지된 담체 분말과 용매가 혼합된 분사용액을 제조하는 단계;
상기 분사용액을 전기분사하여 상기 제1 촉매층의 나노 섬유 외측에 촉매가 담지된 담체 분말을 분산시키는 단계; 및
상기 방사용액을 상기 담체 분말이 분산된 제1 촉매층에 전기방사하여 나노 섬유 내부에 촉매가 담지된 담체 분말이 분산되어 있는 제2 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 멤브레인의 제조 방법.Forming a sulfonated nanofiber web layer;
Preparing a spinning solution containing a polymer material, a solvent, and a carrier powder carrying a catalyst;
Forming a first catalyst layer in which carrier powder carrying a catalyst is dispersed in nanofibers by electrospinning the spinning solution;
Preparing a solution for use in which a catalyst-supported support powder and a solvent are mixed;
Dispersing the carrier powder carrying the catalyst on the outside of the nanofibers of the first catalyst layer by spraying the dispersion liquid; And
And spinning the spinning solution onto the first catalyst layer in which the carrier powder is dispersed to form a second catalyst layer in which the carrier powder carrying the catalyst is dispersed in the nanofibers. Way. 제11항에 있어서, 상기 술폰화된 나노 섬유 웹층을 형성하는 단계는, 고분자 물질, 이온 교환 수지 입자, 용매를 혼합하여 방사용액을 제조하는 단계; 상기 방사용액을 전기방사하여, 나노 섬유 내부에 이온 교환 수지 입자가 분산되어 있는 나노 섬유 웹을 형성하는 단계; 및 상기 나노 섬유 웹에 술폰산기를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 멤브레인의 제조 방법.12. The method of claim 11, wherein forming the sulfonated nanofiber web layer comprises: preparing a spinning solution by mixing a polymer material, ion exchange resin particles, and a solvent; Electrospinning the spinning solution to form a nanofiber web in which ion exchange resin particles are dispersed in the nanofibers; And introducing a sulfonic acid group into the nanofiber web. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI > 제11항에 있어서, 상기 술폰화된 나노 섬유 웹층을 형성하는 단계는, 고분자물질과 용매를 혼합하여 제1 방사용액을 제조하는 단계; 상기 제1 방사용액을 전기방사하여 제1 나노 섬유 웹층을 형성하는 단계; 이온 교환 수지 입자와 용매를 혼합하여 분사용액을 제조하는 단계; 상기 분사용액을 상기 제1 나노 섬유 웹층에 전기분사하여 상기 이온 교환 수지 입자를 분산시키는 단계; 고분자물질과 용매를 혼합하여 제2 방사용액을 제조하는 단계; 상기 제2 방사용액을 상기 이온 교환 수지 입자가 분산된 제1 나노 섬유 웹층에 전기방사하여 제2 나노 섬유 웹층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 나노 섬유 웹층에 술폰산기를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 멤브레인의 제조 방법.12. The method of claim 11, wherein forming the sulfonated nanofiber web layer comprises: preparing a first spinning solution by mixing a polymer material and a solvent; Forming a first nanofiber web layer by electrospinning the first spinning solution; Mixing the ion exchange resin particles with a solvent to prepare a solution for fractionation; Dispersing the ion exchange resin particles by electrospraying the dispersion liquid to the first nanofiber web layer; Mixing a polymer material and a solvent to prepare a second spinning solution; Forming a second nanofiber web layer by electrospinning the second spinning solution on a first nanofiber web layer in which the ion exchange resin particles are dispersed; And introducing a sulfonic acid group into the first and second nanofiber web layers. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 촉매는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 백금루테늄 합금(PtRu), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 및 금(Au)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 이온 교환 멤브레인의 제조 방법.




The method of claim 10 or 11, wherein the catalyst is selected from the group consisting of Pt, Ru, PtRu, Pd, Rh, Ir, Os, And gold (Au). ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >




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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102010255B1 (en) * 2015-09-15 2019-08-13 주식회사 아모그린텍 Ion exchange membrane and method for manufacturing thereof
WO2017048103A1 (en) 2015-09-15 2017-03-23 주식회사 아모그린텍 Ion exchange membrane and method for manufacturing same
CN108028396B (en) * 2015-09-24 2021-04-30 阿莫绿色技术有限公司 Separation membrane for fuel cell, method for preparing the same, and fuel cell electrode assembly
WO2017052181A1 (en) * 2015-09-24 2017-03-30 주식회사 아모그린텍 Separator membrane for fuel cell, method for preparing same, and fuel cell electrode assembly
AU2016352978B2 (en) * 2015-11-12 2022-07-07 Cornell University Air controlled electrospray manufacturing and products thereof

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009075357A1 (en) * 2007-12-13 2009-06-18 Asahi Glass Company, Limited Electrode for solid polymer fuel cell, membrane electrode assembly, and process for producing catalyst layer
WO2012046843A1 (en) * 2010-10-07 2012-04-12 日本ゼオン株式会社 Slurry for secondary battery porous membrane, secondary battery porous membrane, secondary battery electrode, secondary battery separator, and secondary battery

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050056892A (en) * 2003-12-10 2005-06-16 학교법인 성균관대학 Electrical cell including porous continuous fiber membrane
CN102823040B (en) 2010-03-26 2015-03-11 凸版印刷株式会社 Method for manufacturing fuel cell membrane electrode assembly and apparatus for manufacturing fuel cell membrane electrode assembly

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009075357A1 (en) * 2007-12-13 2009-06-18 Asahi Glass Company, Limited Electrode for solid polymer fuel cell, membrane electrode assembly, and process for producing catalyst layer
WO2012046843A1 (en) * 2010-10-07 2012-04-12 日本ゼオン株式会社 Slurry for secondary battery porous membrane, secondary battery porous membrane, secondary battery electrode, secondary battery separator, and secondary battery

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