KR102070042B1 - Membrane electrode assembly of fuel cell comprising stacked thin film of hexagonal boron nitride and manufacturing method for the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 막전극접합체에 관한 것으로, 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지용 막전극접합체와 그 제조방법에 관한 것이며, 본 발명의 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체는, 애노드 전극층; 캐소드 전극층; 및 상기 애노드 전극층과 상기 캐소드 전극층 사이에 형성되는 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 AA′ 구조로 적층된 수소이온 교환층;을 포함한다.The present invention relates to a fuel cell membrane electrode assembly, and relates to a fuel cell membrane electrode assembly including a hydrogen ion exchange membrane and a method for manufacturing the same, and to a fuel cell including a laminated hexagonal boron nitride thin film according to one aspect of the present invention. The membrane electrode assembly includes an anode electrode layer; A cathode electrode layer; And a hydrogen ion exchange layer in which a plurality of hexagonal boron nitride thin films formed between the anode electrode layer and the cathode electrode layer are stacked in an AA ′ structure.

Description

적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체 및 그 제조방법{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY OF FUEL CELL COMPRISING STACKED THIN FILM OF HEXAGONAL BORON NITRIDE AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] A fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film and a manufacturing method thereof

본 발명은 연료전지 막전극접합체에 관한 것으로, 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지용 막전극접합체와 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell membrane electrode assembly, and relates to a fuel cell membrane electrode assembly including a hydrogen ion exchange membrane and a method of manufacturing the same.

육방정계 질화붕소는 그래핀과 유사한 2차원적 강한 sp2 공유결합을 갖는 허니컴 구조로서, 높은 기계적 강도와 열전도도로 인해 주목을 받고 있는 소재이다. 그러나, 그래핀은 반금속 성질과 0의 밴드갭을 가지는 반면, 육방정계 질화붕소는 5-6 eV 의 직접 밴드갭을 갖는 절연체인데, 이는 B-N 사이의 부분적 이온 결합에서 야기된다. 또한, 그래핀과 달리, 육방정계 질화붕소는 1000℃와 같은 고온의 대기 중에 화학적으로 안정한 것으로 알려져 있다.Hexagonal boron nitride is a honeycomb structure having a strong two-dimensional sp 2 covalent bond similar to graphene, and has attracted attention due to its high mechanical strength and thermal conductivity. However, graphene has semimetal properties and zero bandgap, while hexagonal boron nitride is an insulator with a direct bandgap of 5-6 eV, resulting in partial ionic bonds between BNs. In addition, unlike graphene, hexagonal boron nitride is known to be chemically stable in a high temperature atmosphere such as 1000 ° C.

정제된 육방정계 질화붕소는 215 내지 227 nm의 파장에 대한 민감한 엑시톤 발광 밴드를 나타내며, 이는 유도방출을 초래하기에 충분한 값이다. 따라서, 고성능 육방정계 질화붕소는 자외선보다 더 짧은 자외선(deep UV) 광전자 소자를 개발하기 위해 유용한 소재로 사용될 수 있다.Purified hexagonal boron nitride exhibits an exciton emission band sensitive to wavelengths of 215 to 227 nm, which is sufficient to cause induced emission. Therefore, high-performance hexagonal boron nitride may be used as a useful material for developing deep UV optoelectronic devices shorter than ultraviolet.

또한, 최근에는 육방정계 질화붕소 및 촉매를 함유하는 혼합물을 입방정계 질화붕소의 안정한 존재에 열역학적으로 유리한 압력 및 온도 조건 하에 유지시켜 입방정계 질화붕소를 함유하는 복합괴를 형성시키고, 이 복합괴를 알칼리 용액에 용해시켜 입방정계 질화붕소를 회수하는 것을 포함하는 입방정계 질화붕소의 제조 방법에 대해 연구가 수행된 바 있지만, 보다 고성능이면서 대면적의 단일층 육방정계 질화붕소를 제조할 수 있는 방법에 대해 여전히 산업계의 수요가 존재하고 있었다.In addition, recently, a mixture containing hexagonal boron nitride and a catalyst is maintained under a thermodynamically favorable pressure and temperature condition in the stable presence of cubic boron nitride to form a complex ingot containing cubic boron nitride, and the composite mass is formed. Although research has been conducted on a method for producing cubic boron nitride, including dissolving it in an alkaline solution and recovering cubic boron nitride, in a method capable of producing a higher performance and large area single layer hexagonal boron nitride There was still demand from industry.

한편, 연료전지는 친환경적이고 높은 효율을 가지는 에너지 변환 장치로서 향후 저탄소 기반 산업을 주도할 기술로 주목을 받고 있으며, 특히 휴대용 전자기기, 가정용 및 운송용 에너지 변환장치로서의 응용성이 크게 기대되고 있는 전지이다. On the other hand, fuel cells are attracting attention as a technology that will lead the low-carbon-based industry in the future as an environment-friendly and high-efficiency energy conversion device, and is particularly expected to be applicable to portable electronic devices, energy conversion devices for home and transportation. .

연료전지는 사용되는 전해질 및 사용되는 연료의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC), 인산 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등으로 분류될 수 있다.Fuel cells are polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs), direct methanol fuel cells (DMFCs), phosphoric acid fuel cells (PAFCs), and melting, depending on the electrolytes used and the types of fuels used. Carbonate fuel cell (MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC) and the like.

고분자 전해질형 연료전지 및 직접 메탄올 연료전지는 통상적으로 애노드 전극, 캐소드 전극 및 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함하는 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)로 구성된다. 수소 또는 연료가 공급되는 애노드 전극에서 연료의 산화 반응이 일어나고, 애노드 전극에서 생성된 수소 이온이 고분자 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 전도되며, 산소가 공급되는 캐소드 전극에서 산소의 환원 반응이 일어남으로써 두 전극 간의 전압차가 발생되어 전기가 생성되는 것이 연료 전지의 원리이다.A polymer electrolyte fuel cell and a direct methanol fuel cell are typically composed of a membrane electrode assembly (MEA) including an anode electrode, a cathode electrode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode electrode and the cathode electrode. The oxidation reaction of the fuel occurs at the anode electrode supplied with hydrogen or fuel, the hydrogen ions generated at the anode are conducted to the cathode electrode through the polymer electrolyte membrane, and the reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode supplied with oxygen. It is the principle of the fuel cell that a voltage difference is generated and electricity is generated.

연료전지의 애노드 전극은 연료를 산화시켜 수소 이온을 생성하는 반응을 촉진시키기 위한 촉매를 포함하며, 캐소드 전극은 산소의 환원을 촉진시키기 위한 촉매를 포함한다. 그리고 연료전지 촉매는 주로 촉매 금속 입자와 이를 균일하게 분산하기 위한 전기전도성이 높은 담체로 이루어져 있음이 일반적이다. The anode electrode of the fuel cell includes a catalyst for promoting a reaction of oxidizing the fuel to generate hydrogen ions, and the cathode electrode includes a catalyst for promoting the reduction of oxygen. In addition, the fuel cell catalyst is generally mainly composed of catalyst metal particles and a highly conductive carrier for uniformly dispersing them.

연료전지의 막전극접합체는 앞서 설명한 것과 같이 고분자 전해질 막을 포함하고 있으며, 고분자 전해질 막은 수소이온 교환막 등으로 불리우기도 한다. 대표적으로 상용화되는 고분자 전해질 막 소재로는　나피온(Nafion) 막이 있다. 나피온 막의 경우 높은 수소이온 전도도, 우수한 화학안정성, 이온 선택성 등으로 인하여 널리 사용되고 있긴 하나, 높은 가격으로 산업용 이용도가 제한되며 무엇보다도 연료전지의 구동 과정에서 메탄올이 고분자 막을 통과하는 가스 투과성(Gas Crossover) 현상이 발생하는 등의 문제를 내재하고 있었다. 또한, 나피온 막을 사용할 경우 고온 안정성이 떨어지고, 구현가능한 연료전지의 성능에 한계가 있었다. 따라서 이를 개선하기 위하여 나피온 막을 대체하기 위한 소재에 대한 연구가 다양하게 수행 중에 있었다.The membrane electrode assembly of the fuel cell includes a polymer electrolyte membrane as described above, and the polymer electrolyte membrane is also called a hydrogen ion exchange membrane. Representatively, a commercially available polymer electrolyte membrane material is a Nafion membrane. Nafion membranes are widely used due to their high hydrogen ion conductivity, excellent chemical stability, and ion selectivity, but they are limited in industrial use at a high price, and above all, gas permeability (Gas) through methanol in the process of fuel cell operation. There was a problem such as a crossover phenomenon. In addition, when the Nafion membrane is used, the high temperature stability is lowered and there is a limit in the performance of the fuel cell. Therefore, various studies have been carried out to replace the Nafion membrane to improve this.

본 발명에서는, 화학적 안정성이 뛰어난 육방정계 질화붕소가 가지는 높은 수소이온 전달성에 주목하고, 육방정계 질화붕소 박막을 제조한 후 복수 겹으로 적층하여 이용하면서, 높은 효율의 연료전지를 구현할 수 있는 육방정계 질화붕소 박막의 적층 방법을 제공하고, 그를 이용한 연료전지 막전극접합체, 그를 이용한 연료전지 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.In the present invention, attention is paid to the high hydrogen ion transfer property of hexagonal boron nitride having excellent chemical stability, and a hexagonal boron nitride thin film is manufactured and laminated in multiple layers, and a hexagonal system capable of realizing a high efficiency fuel cell. The present invention provides a method for laminating a boron nitride thin film, and provides a fuel cell membrane electrode assembly using the same, a fuel cell using the same, and a method of manufacturing the same.

본 발명의 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체는, 애노드 전극층; 캐소드 전극층; 및 상기 애노드 전극층과 상기 캐소드 전극층 사이에 형성되는 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 AA′ 구조로 적층된 수소이온 교환층;을 포함한다.A fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film according to one aspect of the present invention, an anode electrode layer; A cathode electrode layer; And a hydrogen ion exchange layer in which a plurality of hexagonal boron nitride thin films formed between the anode electrode layer and the cathode electrode layer are stacked in an AA ′ structure.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막은 단원자(monatomic)층인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film may be a monoatomic layer.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소이온 교환층은, 세 겹의 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hydrogen ion exchange layer may include three layers of hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드 전극층과 상기 수소이온 교환층 사이, 상기 캐소드 전극층과 상기 수소이온 교환층 사이 또는 둘 다에 형성되는 계면 접합층;을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an interface bonding layer formed between the anode electrode layer and the hydrogen ion exchange layer, between the cathode electrode layer and the hydrogen ion exchange layer, or both; may further include a.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계면 접합층은, 나피온(Nafion, Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, 백금 및 탄소지지체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the interfacial bonding layer may include one or more selected from the group consisting of Nafion (Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, platinum and carbon support.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계면 접합층은 두께가 2 μm 내지 50 μm 인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the interfacial bonding layer may have a thickness of 2 μm to 50 μm.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드 전극층, 상기 캐소드 전극층 또는 둘 다는, 백금, 루테늄, 백금을 포함하는 합금 및 코어를 포함하는 쉘 구조의 백금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the anode electrode layer, the cathode electrode layer or both, comprises at least one catalyst selected from the group consisting of platinum, ruthenium, an alloy comprising platinum and a shell structure of platinum containing a core. It may be.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막은 두께가 0.3 nm 내지 3.0 nm 인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film may have a thickness of 0.3 nm to 3.0 nm.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수 겹의 육방정계 질화붕소 박막 중 하나 이상은, H, O 및 F로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이 기능기화 된 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, one or more of the plural layers of hexagonal boron nitride thin film, one or more selected from the group consisting of H, O and F may be functionalized.

본 발명의 다른 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지는, 분리판; 집전체; 및 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지 막전극접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함한다.According to another aspect of the present invention, a fuel cell including a stacked hexagonal boron nitride thin film includes: a separator; Current collector; And at least one unit cell including a fuel cell membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 또 다른 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법은, 제1 기판 상에 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층하는 단계; 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막의 상기 제1 기판이 위치한 반대쪽 면 상에 제1 계면접합층을 형성하고 습식 전사(wet transfer) 기법으로 상기 제1 기판을 분리하는 단계; 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막의 상기 제1 계면접합층이 위치한 반대쪽 면이 제2 기판 상에 형성된 제2 전극 및 상기 제2 전극 상에 형성된 제2 계면접합층 상에 접하도록 전사하는 단계; 상기 제1 계면접합층의 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 위치한 반대쪽 면 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제2 기판을 제거하는 단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly including a stacked hexagonal boron nitride thin film, comprising: stacking a plurality of hexagonal boron nitride thin films on an first substrate in an AA ′ structure; Forming a first interfacial junction layer on an opposite side of the stacked plurality of hexagonal boron nitride thin films on which the first substrate is located and separating the first substrate by a wet transfer technique; The opposite surface of the stacked hexagonal boron nitride thin films, on which the first interface bonding layer is located, is transferred to be in contact with the second electrode formed on the second substrate and the second interface bonding layer formed on the second electrode. step; Forming a first electrode on an opposite side of the stacked plurality of hexagonal boron nitride thin films of the first interfacial junction layer; And removing the second substrate.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 기판 상에 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA' 구조로 적층하는 단계는, 저압 화학 기상 증착법을 이용하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the stacking of the plurality of hexagonal boron nitride thin films in the AA ′ structure on the first substrate may be performed using a low pressure chemical vapor deposition method.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극을 형성하는 단계는, 스프레이 코팅법 또는 바 코팅법으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나에 의해 수행되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the forming of the first electrode may be performed by any one selected from the group consisting of a spray coating method or a bar coating method.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 기판을 제거하는 단계는, HF, H2NO3 및 H3PO4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 산 수용액을 사용하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the step of removing the second substrate may be to use an acid aqueous solution including at least one selected from the group consisting of HF, H 2 NO 3 and H 3 PO 4 .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 기판을 제거하는 단계 후에, 핫플레이트를 이용하여 건조하는 단계; 및 가장자리를 밀봉(edge sealing)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment of the invention, after the step of removing the second substrate, drying using a hot plate; And edge sealing.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계는, 육방정계 질화붕소 박막을 산소 플라즈마에 노출시키는 단계; 육방정계 질화붕소 박막층을 수소 플라즈마에 노출시키는 단계; 및 육방정계 질화붕소 박막층을 XeF2 기체에 노출시키는 단계;로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 단계;를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, preparing the hexagonal boron nitride thin film may include exposing the hexagonal boron nitride thin film to oxygen plasma; Exposing the hexagonal boron nitride thin film layer to hydrogen plasma; And exposing the hexagonal boron nitride thin film layer to XeF 2 gas. At least one step selected from the group consisting of: may be further included.

본 발명의 또 다른 일 측에 따르는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지는, 분리판; 집전체; 및 본 발명의 일 실시예에 따르는 제조방법을 이용하여 형성된 막전극접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, a fuel cell including a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane includes: a separator; Current collector; And one or more unit cells including a membrane electrode assembly formed using the manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 측면에 따르면, 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 복수 겹으로 적층하고 연료전지 막전극접합체에 적용함으로써, 적층에도 불구하고 성능 저하 현상의 발생이 거의 없고 메탄올 등의 가스 크로스오버 현상을 방지할 수 있으며, 수소이온의 전달이 원활하게 수행되면서 화학적으로 안정하여 내구성이 우수하게 확보된 수소이온 교환막을 확보할 수 있다.According to an aspect of the present invention, by stacking a plurality of hexagonal boron nitride thin film in a plurality of layers AA 'structure and applied to the fuel cell membrane electrode assembly, there is almost no performance degradation phenomenon despite the lamination and gas crossover such as methanol Phenomenon can be prevented and a hydrogen ion exchange membrane having excellent durability can be secured by chemically stable as hydrogen ions are smoothly transferred.

또한, 이를 이용하여 확보된 육방정계 질화붕소 박막의 적층체를 포함하는 연료전지를 제조함으로써, 종래의 나피온 막을 포함하던 연료전지의 성능을 뛰어넘고, 가스 투과성을 낮춘 고성능 연료전지를 제조할 수 있다.In addition, by manufacturing a fuel cell comprising a laminate of hexagonal boron nitride thin film secured using this, it is possible to manufacture a high-performance fuel cell that exceeds the performance of the conventional fuel cell including the Nafion membrane, and lowered the gas permeability. have.

도 1은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는, 3개의 육방정계 질화붕소 박막이 적층된 구조를 나타내는 개략도로서, 도 2(a)는 3개의 육방정계 질화붕소 박막이 난층 구조(turbostatic)를 형성하며 랜덤(random)하게 적층된 형태를 나타내는 그림이고, 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예로서, 3개의 육방정계 질화붕소 박막이 AA′ 구조를 형성하며 적층된 형태를 나타내는 그림이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법의 각 단계의 순서를 나타내는 순서도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체 및 그를 포함하는 연료전지의 제조방법의 각 단계 공정 과정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 5는, 단일층 그래핀과 본 발명의 일 실시예에 따르는 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막(실시예)과 본 발명의 비교예들의 가스 크로스오버 현상의 발생 정도를 확인할 수 있는 그래프로서, 도 5(a)는 전류 밀도-셀 전압을 나타내는 I-V 그래프이고, 도 5(b)는 전압에 따른 전류 압력을 나타내는 그래프이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막(실시예)와 비교예들의 장기 내구성 평가의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.1 is a schematic view showing the structure of a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane provided in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a structure in which three hexagonal boron nitride thin films are stacked, and FIG. 2 (a) shows three hexagonal boron nitride thin films in a randomly stacked structure forming a turbostatic structure. 2 (b) is an illustration of the three hexagonal boron nitride thin films having the AA ′ structure formed thereon and stacked according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flow chart showing the procedure of each step of the method for manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film deposited according to an embodiment of the present invention.
4 is a process diagram schematically illustrating a process step of each step of a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film deposited according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing a fuel cell including the same.
5 is a single layer of graphene and hexagonal boron nitride thin film (Example) laminated with AA ′ structure according to an embodiment of the present invention and the degree of occurrence of gas crossover phenomenon of the comparative examples of the present invention As a graph, FIG. 5 (a) is an IV graph showing the current density-cell voltage, and FIG.
6 is a graph showing the results of long-term durability evaluation of hexagonal boron nitride thin films (Examples) and comparative examples laminated in the AA 'structure according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Various changes may be made to the embodiments described below. The examples described below are not intended to be limited to the embodiments and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes for them.

실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of examples. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described on the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present disclosure does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components regardless of reference numerals will be given the same reference numerals and redundant description thereof will be omitted. In the following description of the embodiment, if it is determined that the detailed description of the related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명에서는 육방정계 질화붕소 박막이 수소이온 전달 특성이 우수한 점을 확인하고, 연료전지의 막전극접합체의 수소이온 교환막 소재로 육방정계 질화붕소 박막을 이용한, 신개념 연료전지 막전극접합체를 제공한다. The present invention confirms that the hexagonal boron nitride thin film has excellent hydrogen ion transfer characteristics, and provides a new concept fuel cell membrane electrode assembly using a hexagonal boron nitride thin film as a hydrogen ion exchange membrane material of a membrane electrode assembly of a fuel cell.

종래의 육방정계 질화붕소 박막의 경우, 단원자 층의 박막을 이용할 경우 내구성 측면에서 다소 아쉬운 점이 발생하였다. 한편, 단원자 층의 박막을 복수 겹 적층시켜 이용할 경우에는 내구성 측면에서는 장점이 있었으나, 가스 크로스오버 현상을 방지하기 어렵고 수소이온 전달 기능이 저하되는 특징이 발생하였다. In the case of the conventional hexagonal boron nitride thin film, when using the thin film of the monoatomic layer occurs a little unsatisfactory in terms of durability. On the other hand, when a plurality of layers of the monoatomic layer is used by laminating a plurality of advantages in terms of durability, there is a feature that is difficult to prevent the gas crossover phenomenon and the hydrogen ion transfer function is reduced.

본 발명에서는 복수 겹 적층된 육방정계 질화붕소 박막층을 수소이온 교환층으로 포함하면서, 그 적층 구조를 정밀하게 제어하여 내구성의 향상과 수소이온 전달 특성의 유지 및 가스 크로스오버 현상의 방지 기능이 모두 구비된 연료전지 막전극접합체를 제공한다.In the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer laminated in plural layers is included as a hydrogen ion exchange layer, and the lamination structure is precisely controlled to improve durability, maintain hydrogen ion transfer characteristics, and prevent gas crossover. A fuel cell membrane electrode assembly is provided.

본 발명에서는 수소이온 교환막을 적층된 육방정계 질화붕소 박막으로 구비한 신개념의 연료전지 막전극접합체와 그를 이용한 고성능 연료전지를 제공한다.The present invention provides a fuel cell membrane electrode assembly of a novel concept including a hydrogen ion exchange membrane laminated with a hexagonal boron nitride thin film and a high performance fuel cell using the same.

도 1은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 구조를 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing the structure of a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane provided in an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 측에서는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체를 제공한다.One aspect of the present invention provides a fuel cell membrane electrode assembly including a stacked hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체는, 애노드 전극층(110); 캐소드 전극층(140); 및 상기 애노드 전극층과 상기 캐소드 전극층 사이에 형성되는 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 AA′ 구조로 적층된 수소이온 교환층(130);을 포함한다.A fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film according to one aspect of the present invention, the anode electrode layer 110; Cathode electrode layer 140; And a hydrogen ion exchange layer 130 in which a plurality of hexagonal boron nitride thin films formed between the anode electrode layer and the cathode electrode layer are stacked in an AA ′ structure.

본 발명의 일 측에서 제공하는 연료전지 막전극접합체는, 연료전지의 막전극접합체 내부에 육방정계 질화붕소 박막을 적층시켜 수소이온 교환층으로 이용하는 특징을 갖는다. 본 발명의 일 측면에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막층은, 애노드 전극층과 캐소드 전극층 사이에 형성되어 수소이온의 이동 통로 역할을 하면서 연료전지의 성능을 향상시키는 역할을 한다.The fuel cell membrane electrode assembly provided by one side of the present invention has a feature that a hexagonal boron nitride thin film is laminated inside a membrane electrode assembly of a fuel cell and used as a hydrogen ion exchange layer. The hexagonal boron nitride thin film layer provided in one aspect of the present invention is formed between the anode electrode layer and the cathode electrode layer, and serves to improve the performance of the fuel cell while serving as a passage for hydrogen ions.

육방정계 질화붕소 박막을 막전극접합체 내에 포함시킬 경우, 육방정계 질화붕소 박막이 Nafion 또는 탄화수소계 물질과 같은 고분자가 아니기 때문에 화학적 안정성 및 열적 안정성이 보다 우수한 효과 연료전지를 구현할 수 있다.When the hexagonal boron nitride thin film is included in the membrane electrode assembly, since the hexagonal boron nitride thin film is not a polymer such as Nafion or a hydrocarbon-based material, it is possible to implement an effect fuel cell having better chemical stability and thermal stability.

도 2는, 3개의 육방정계 질화붕소 박막이 적층된 구조를 나타내는 개략도로서, 도 2(a)는 3개의 육방정계 질화붕소 박막이 난층 구조(turbostratic)를 형성하며 랜덤(random)하게 적층된 형태를 나타내는 그림이고, 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예로서, 3개의 육방정계 질화붕소 박막이 AA′ 구조를 형성하며 적층된 형태를 나타내는 그림이다.FIG. 2 is a schematic view showing a structure in which three hexagonal boron nitride thin films are stacked, and FIG. 2 (a) shows three hexagonal boron nitride thin films in a randomly stacked structure forming a turbostratic layer. 2 (b) is an illustration of the three hexagonal boron nitride thin films having the AA ′ structure formed thereon and stacked according to one embodiment of the present invention.

본 발명에서 상기 육방정계 질화붕소 박막은 도 2(b)와 같이 AA′ 구조로 적층된다. 흑연의 일반적인 적층 구조로 AA' 구조 또는 AB 구조 등이 있다. 결정학적인 관점에서 AA' 적층 구조와 AB 적층 구조는 같은 성분으로 형성된 구조일지라도 서로 다른 물리화학적 특성을 보유하게 된다. 육방정계 질화붕소와 구조적으로 유사한 흑연의 AA′ 적층 구조는 최근에 발견된 새로운 결정학적 적층 구조로서, AA′ 구조로 적층된 흑연은 반도체적 특성을 가지는 새로운 개념의 소재로서 주목받고 있다.In the present invention, the hexagonal boron nitride thin film is stacked in the AA 'structure as shown in Fig. 2 (b). Typical lamination structures of graphite include AA 'structure or AB structure. From a crystallographic point of view, the AA 'laminated structure and the AB laminated structure have different physicochemical properties even if they are formed of the same component. The AA 'laminated structure of graphite structurally similar to hexagonal boron nitride is a new crystallographic laminated structure recently discovered, and graphite laminated with AA' structure is attracting attention as a new concept material having semiconductor characteristics.

육방정계 질화붕소의 경우 AA′ 구조가 AB 적층 구조 보다 에너지적 관점에서 안정한 특징이 있다. 따라서, 적층 후에도 그 적층된 구조를 안정적으로 유지할 수 있다. 본 발명에서는 AA′ 적층 구조로 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 적층하고 이를 연료전지용 막전극접합체에 적용할 수 있다.In the case of hexagonal boron nitride, AA ′ structure is more stable in terms of energy than AB layer structure. Therefore, the laminated structure can be stably maintained even after lamination. In the present invention, a plurality of hexagonal boron nitride thin films may be stacked in an AA ′ stacked structure and applied to a membrane electrode assembly for fuel cell.

일 예로서 AA' 구조는 적층된 박막의 수직한 방향에서 볼 때, 제1 층 (A 층)의 육각 고리 안에 제2 층 (A' 층)의 육각 고리를 형성하는 두 개의 원자가 위치하고, 제2 층의 육각 고리 안에 제1 층의 육각 고리를 형성하는 두 개의 원자가 위치하는 적층 구조일 수 있다. As an example, the AA 'structure has two atoms forming a hexagonal ring of a second layer (A' layer) in a hexagonal ring of a first layer (layer A) when viewed in a vertical direction of a laminated thin film, and a second It may be a laminated structure in which two atoms are formed in the hexagonal ring of the layer to form the hexagonal ring of the first layer.

도 2(a)와 같이 AA′ 구조가 아닌 규칙성이 없는 난층 구조 형태로 육방정계 질화붕소 박막을 적층할 경우, 본 발명에서 의도하는 수준의 안정적인 수소이온 전달 성능을 확보할 수 없다. 그렇다고 육방정계 질화붕소 박막을 단층으로 형성할 경우 수소이온 전달층의 내구성이 문제되고 본연의 기능을 충실하게 수행할 수 없다.When the hexagonal boron nitride thin film is laminated in the form of a hard layer structure without regularity as shown in FIG. 2 (a), it is not possible to secure stable hydrogen ion transfer performance at a level intended by the present invention. However, when the hexagonal boron nitride thin film is formed in a single layer, the durability of the hydrogen ion transport layer is a problem, and the original function cannot be faithfully performed.

따라서 본 발명에서는 도 2(b)와 같이 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 이용하여 수소이온 교환층을 형성하고, 계면 접합층을 대체하거나 또는 계면 접합층과 함께 사용하는 방법을 제안하는 것이다. 본 발명에서 제공하는 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 이용할 경우, 막전극접합체 내에서 연료전지의 안정적인 수소이온 전달 성능을 확보할 수 있다. 이 때 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막은 랜덤하게 난층 구조로 적층된 경우와는 달리 연료전지의 막전극접합체 내에서 가스 크로스오버 현상의 방지가 가능하고 높은 내구성 및 수소이온 전달 특성을 나타낼 수 있다.Therefore, the present invention proposes a method of forming a hydrogen ion exchange layer using a hexagonal boron nitride thin film laminated in AA ′ structure as shown in FIG. 2 (b), replacing the interface bonding layer, or using the interface bonding layer together with the interface bonding layer. It is. When using a hexagonal boron nitride thin film laminated in the AA 'structure provided by the present invention, it is possible to ensure stable hydrogen ion transfer performance of the fuel cell in the membrane electrode assembly. At this time, the hexagonal boron nitride thin film deposited in the AA ′ structure is capable of preventing gas crossover in the membrane electrode assembly of the fuel cell, unlike the case of randomly stacked in the layer structure, and has high durability and hydrogen ion transfer characteristics. Can be represented.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막은 단원자(monatomic)층인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film may be a monoatomic layer.

상기 복수 개가 적층되는 각각의 육방정계 질화붕소 박막은 단원자층으로 구성된 수 나노미터 두께의 박막일 수 있다. 즉, 두께 방향에서 봤을 때 적층되는 각각의 육방정계 질화붕소 박막은 복수 개의 원자가 층을 구성하지 않는 것일 수 있다. 육방정계 질화붕소 박막을 단원자층으로 형성하는 것은 특별한 온도 및 압력 조건에서 적절하게 선택된 기판 소재(사파이어 등)를 도입함으로써 가능할 수 있다.Each hexagonal boron nitride thin film in which the plurality is stacked may be a thin film having a thickness of several nanometers composed of a monoatomic layer. That is, each hexagonal boron nitride thin film laminated in the thickness direction may not constitute a plurality of valence layers. Forming the hexagonal boron nitride thin film into a monoatomic layer may be possible by introducing a substrate material (sapphire, etc.) appropriately selected under particular temperature and pressure conditions.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소이온 교환층은, 세 겹의 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hydrogen ion exchange layer may include three layers of hexagonal boron nitride thin film.

후술할 본 발명의 실시예에 따르면, 세 겹의 육방정계 질화붕소 박막을 적층했을 때, 가스 크로스오버 현상의 방지가 가능하고 높은 내구성 및 수소이온 전달 특성을 확보가능함을 확인한 바 있다.According to an embodiment of the present invention to be described later, when stacking three layers of hexagonal boron nitride thin film, it was confirmed that it is possible to prevent the gas crossover phenomenon and to ensure high durability and hydrogen ion transfer characteristics.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드 전극층과 상기 수소이온 교환층 사이, 상기 캐소드 전극층과 상기 수소이온 교환층 사이 또는 둘 다에 형성되는 계면 접합층(120, 120');을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, an interface bonding layer (120, 120 ') formed between the anode electrode layer and the hydrogen ion exchange layer, between the cathode electrode layer and the hydrogen ion exchange layer or both; Can be.

상기 계면 접합층은 각각의 전극층과 수소이온 교환층 사이를 접합하기 위한 목적으로 도입되는 것일 수 있다.The interface bonding layer may be introduced for the purpose of bonding between each electrode layer and the hydrogen ion exchange layer.

상기 계면 접합층은 수소이온 전달 특성을 구비한 유기 물질로 형성된 층일 수 있다. The interfacial junction layer may be a layer formed of an organic material having hydrogen ion transfer characteristics.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계면 접합층은, 나피온(Nafion, Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, 백금 및 탄소지지체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the interfacial bonding layer may include one or more selected from the group consisting of Nafion (Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, platinum and carbon support.

일 예로서, 계면 접합층의 소재로 이용가능한 나피온(Nafion, 퍼플루오르화 술폰산 중합체)은 이온전도도, 화학적 안정성, 이온 선택성 등이 우수한 장점이 있다. 다만, 나피온 소재는 연료전지의 구동 과정에서 높은 가스(메탄올 등) 투과성으로 인해 일부 구동 환경에서 문제가 되어 왔다. 본 발명의 일 측면에서는 육방정계 질화붕소 박막을 수소이온 교환층으로 막전극접합체 내에 포함함으로써 나피온 유기바인더층이 갖는 가스 투과성 문제를 해소할 수 있다.As one example, Nafion (perfluoro sulfonic acid polymer) that can be used as a material of the interface bonding layer has an advantage of excellent ion conductivity, chemical stability, ion selectivity, and the like. However, Nafion materials have been a problem in some driving environments due to high gas (methanol, etc.) permeability during the driving of fuel cells. In one aspect of the present invention, by including the hexagonal boron nitride thin film as a hydrogen ion exchange layer in the membrane electrode assembly can solve the gas permeability problem of the Nafion organic binder layer.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계면 접합층은 두께가 2 μm 내지 50 μm 인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the interfacial bonding layer may have a thickness of 2 μm to 50 μm.

상기 계면 접합층의 두께가 2 μm 미만일 경우 물리적 강성이 약해지는 단점이 생길 수 있고, 두께가 50 μm 초과일 경우 수소 이온 전달 저항이 커져서 연료전지의 성능이 떨어지는 문제가 생길 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 계면 접합층의 두께는 5 μm 내지 20 μm 인 것일 수 있다.If the thickness of the interfacial bonding layer is less than 2 μm may cause a disadvantage in weak physical stiffness, if the thickness is greater than 50 μm may cause a problem that the performance of the fuel cell is reduced due to the increase in hydrogen ion transfer resistance. More preferably, the thickness of the interface bonding layer may be 5 μm to 20 μm.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드 전극층, 상기 캐소드 전극층 또는 둘 다는, 백금, 루테늄, 백금을 포함하는 합금 및 코어를 포함하는 쉘 구조의 백금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the anode electrode layer, the cathode electrode layer or both, comprises at least one catalyst selected from the group consisting of platinum, ruthenium, an alloy comprising platinum and a shell structure of platinum containing a core. It may be.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막은 두께가 0.3 nm 내지 3.0 nm 인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film may have a thickness of 0.3 nm to 3.0 nm.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수 겹의 육방정계 질화붕소 박막 중 하나 이상은, H, O 및 F로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이 기능기화 된 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, one or more of the plural layers of hexagonal boron nitride thin film, one or more selected from the group consisting of H, O and F may be functionalized.

본 발명의 일 측면에서, 상기 육방정계 질화붕소 박막 중 하나 이상을 수소 결합을 형성 하는 원자인 H, O, F 원자 중 하나 이상의 성분을 포함하도록 기능기화 처리할 수 있다. 이 때, 기능기화 처리 된 육방정계 질화붕소 박막층 B-H, B-O, B-F 및 B-F2 결합을 표면 상에 포함하는 것일 수 있다.In one aspect of the present invention, one or more of the hexagonal boron nitride thin film may be functionalized to include one or more components of H, O, F atoms which are atoms forming a hydrogen bond. At this time, the functional vaporization of the hexagonal boron nitride thin film layer BH, BO, BF and BF 2 may be included on the surface.

본 발명의 일 측면에서는 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 기판에 형성시킨 상태에서 산소 플라즈마 및 수소 플라즈마를 이용하여 산소 기능기화 및 수소 기능기화 처리 공정을 수행할 수 있다. 또한, 기판에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 XeF2 기체에 노출시킴으로써 불소 기능기화 된 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 있다.In an aspect of the present invention, the oxygen functionalization and hydrogen functionalization treatment processes may be performed using an oxygen plasma and a hydrogen plasma while the formed hexagonal boron nitride thin film is formed on a substrate. In addition, the hexagonal boron nitride thin film formed on the substrate may be exposed to XeF 2 gas to form a fluorine functionalized hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 다른 일 측에서는 막전극접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a fuel cell including a membrane electrode assembly.

본 발명의 다른 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지는, 분리판; 집전체; 및 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지 막전극접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함한다.According to another aspect of the present invention, a fuel cell including a stacked hexagonal boron nitride thin film includes: a separator; Current collector; And at least one unit cell including a fuel cell membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 일 측에서는 본 발명의 일 실시예에 따르는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환층을 포함하는 연료전지 막전극접합체를 포함하고, 추가적인 구성으로 분리판, 집전체를 구비한 단위 셀을 하나 이상 포함하는 연료전지를 제공한다.Another aspect of the present invention includes a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange layer according to an embodiment of the present invention, and further comprises at least one unit cell having a separator, a current collector It provides a fuel cell comprising.

본 발명의 또 다른 일 측에서는 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film.

도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법의 각 단계의 순서를 나타내는 순서도이다.FIG. 3 is a flow chart showing the procedure of each step of the method for manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film deposited according to an embodiment of the present invention.

도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체 및 그를 포함하는 연료전지의 제조방법의 각 단계 공정 과정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.4 is a process diagram schematically illustrating a process of each step of a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film deposited according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing a fuel cell including the same.

아래에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지 막전극접합체 및 그를 포함하는 연료전지의 제조방법의 각 단계에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, each step of a fuel cell membrane electrode assembly and a method of manufacturing a fuel cell including the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4.

본 발명의 일 예로서 아래에서 설명하는 연료전지 막전극 접합체는, 양 전극 사이에 육방정계 질화붕소 박막의 수소이온 교환층 외에 계면접합층을 포함하여 형성된 구조의 제조방법에 관한 것이다. 그러나, 본 발명의 다른 일 예에서는 하나 또는 둘 다의 전극과 육방정계 질화붕소 박막의 수소이온 교환층 사이 계면접합층을 포함하지 않고 연료전지 막전극 접합체를 형성할 수도 있다. As an example of the present invention, a fuel cell membrane electrode assembly described below relates to a method for manufacturing a structure including an interface bonding layer in addition to a hydrogen ion exchange layer of a hexagonal boron nitride thin film between two electrodes. However, in another embodiment of the present invention, the fuel cell membrane electrode assembly may be formed without including an interface bonding layer between one or both electrodes and the hydrogen ion exchange layer of the hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 또 다른 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법은, 제1 기판 상에 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층하는 단계(S10); 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막의, 상기 제1 기판이 위치한 반대쪽 면 상에 제1 계면접합층을 형성하고, 습식 전사(wet transfer) 기법으로 상기 제1 기판을 분리하는 단계(S20); 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막의 상기 제1 계면접합층이 위치한 반대쪽 면이 제2 기판 상에 형성된 제2 전극 및 상기 제2 전극 상에 형성된 제2 계면접합층 상에 접하도록 전사하는 단계(S30); 상기 제1 계면접합층의 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 위치한 반대쪽 면 상에 제1 전극을 형성하는 단계(S40); 및 상기 제2 기판을 제거하는 단계(S50);를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly including a stacked hexagonal boron nitride thin film, comprising: stacking a plurality of hexagonal boron nitride thin films on an first substrate in an AA ′ structure ( S10); Forming a first interfacial junction layer on the opposite side of the stacked plurality of hexagonal boron nitride thin films on which the first substrate is located, and separating the first substrate by a wet transfer method (S20). ; The opposite surface of the stacked hexagonal boron nitride thin films, on which the first interface bonding layer is located, is transferred to be in contact with the second electrode formed on the second substrate and the second interface bonding layer formed on the second electrode. Step S30; Forming a first electrode on an opposite surface on which the plurality of stacked hexagonal boron nitride thin films of the first interfacial junction layer are positioned (S40); And removing the second substrate (S50).

일 예로서, 상기 습식 전사 기법으로 상기 제1 기판을 분리하는 단계는, 전기분해 방식에 의해 발생된 수소 가스 기포를 이용하거나 에칭제(Etchant)를 이용하여 수행되는 것일 수 있다. As an example, the separating of the first substrate by the wet transfer technique may be performed by using hydrogen gas bubbles generated by an electrolysis method or using an etchant.

상기 전기분해 방식에 의해 발생된 수소 가스 기포를 이용하는 공정은, 예를 들어 NaOH를 포함하는 용매 환경에서 전기분해를 수행하여 수소 가스를 형성하고 그를 이용하는 것일 수 있다. 상기 에칭제를 이용하는 공정은, 예를 들어 에칭제로서 HF, HNO3 , H3PO4 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 이용하는 것일 수 있다.The process using the hydrogen gas bubbles generated by the electrolysis method may be, for example, by performing electrolysis in a solvent environment containing NaOH to form hydrogen gas and use thereof. Process using the etchant, for example, as an etchant HF, HNO 3, H 3 PO 4 It may be to use one or more selected from the group consisting of.

상기 제1 전극과 제2 전극은 서로 다른 극성을 가지는 전극일 수 있다. 일 예로서, 제1 전극이 캐소드 전극일 경우 제2 전극은 애노드 전극일 수 있고, 다른 일 예로서, 제1 전극이 애노드 전극일 경우 제2 전극은 캐소드 전극일 수 있다.The first electrode and the second electrode may be electrodes having different polarities. As an example, when the first electrode is a cathode electrode, the second electrode may be an anode electrode. As another example, when the first electrode is an anode electrode, the second electrode may be a cathode electrode.

일 예로서, 상기 육방정계 질화붕소 박막을 제1 기판 상에 형성하는 과정에서는, 화학적 기상 증착법(CVD법)을 이용하여 암모니아 보란을 가열하고, 상기 가열된 암모니아 보란을 수소가스를 이용하여 고온으로 유지되는 로(Furnace) 내로 확산시켜 로 내에 구비한 제1 기판 상에 육방정계 질화붕소 박막이 형성되도록 하는 것일 수 있다.For example, in the process of forming the hexagonal boron nitride thin film on the first substrate, ammonia borane is heated by chemical vapor deposition (CVD), and the heated ammonia borane is heated to high temperature using hydrogen gas. The hexagonal boron nitride thin film may be formed on the first substrate provided in the furnace by diffusing into the furnace to be maintained.

일 예로서, 상기 암모니아 보란을 가열하는 단계의 온도는 80 ℃ 내지 130 ℃ 인 것일 수 있다. 일 예로서, 상기 고온으로 유지되는 로의 온도는 800 ℃ 내지 1500 ℃ 인 것일 수 있다.As an example, the temperature of the step of heating the ammonia borane may be 80 ℃ to 130 ℃. As one example, the temperature of the furnace maintained at a high temperature may be 800 ℃ to 1500 ℃.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 기판 상에 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층하는 단계는, 저압 화학 기상 증착법(Low pressure chemical vapor deposition)을 이용하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the stacking of the plurality of hexagonal boron nitride thin films in the AA ′ structure on the first substrate may be performed using low pressure chemical vapor deposition.

상기 저압 화학 기상 증착법은 1300 ℃ 내지 1400 ℃ 의 합성 온도 조건에서 기판과 에피텍시 성장 방법을 이용하여 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 있다.The low pressure chemical vapor deposition method may form a hexagonal boron nitride thin film layered in an AA ′ structure by using a substrate and epitaxial growth method at a synthesis temperature of 1300 ° C. to 1400 ° C.

육방정계 질화붕소 박막을 적층하는 과정에서는 적층되는 구조에 따라서 다른 반발력이 작용할 수 있다. 이 때, 육방정계 질화붕소의 경우, AA′ 구조가 AB 적층 구조 보다 에너지적 관점에서 안정한 특징이 있다. 따라서, 적층 후에도 그 적층된 구조를 안정적으로 유지할 수 있다. In the process of stacking the hexagonal boron nitride thin film, a different repulsive force may be applied depending on the stacked structure. In this case, in the case of hexagonal boron nitride, the AA 'structure is more stable than the AB laminated structure in terms of energy. Therefore, the laminated structure can be stably maintained even after lamination.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극을 형성하는 단계는, 스프레이 코팅법 또는 바 코팅법에 의해 수행되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the forming of the first electrode may be performed by a spray coating method or a bar coating method.

일 예로서, 상기 제1 전극을 형성하는 단계에서 스프레이 코팅법을 이용할 경우, 형성되는 제1 전극의 두께를 손쉽게 조절 가능한 이점이 있다.As an example, when using the spray coating method in the step of forming the first electrode, there is an advantage that can easily adjust the thickness of the first electrode to be formed.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 기판을 제거하는 단계는, HF, H2NO3 및 H3PO4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 산 수용액을 사용하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the step of removing the second substrate may be to use an acid aqueous solution including at least one selected from the group consisting of HF, H 2 NO 3 and H 3 PO 4 .

상기 제2 기판을 제거하는 단계는 산 수용액 중에서 육방정계 질화붕소 박막과 기판과의 상호작용을 제거하는 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 이 때 상기 단계가 산 수용액 중에서 수행됨으로써 육방정계 질화붕소 박막을 기판으로부터 분리하는 효과가 생길 수 있다.Removing the second substrate may be performed using a method of removing the interaction between the hexagonal boron nitride thin film and the substrate in an acid aqueous solution. In this case, the step may be performed in an aqueous acid solution, thereby producing an effect of separating the hexagonal boron nitride thin film from the substrate.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 기판을 제거하는 단계 후에, 핫플레이트를 이용하여 건조하는 단계; 및 가장자리를 밀봉(edge sealing)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment of the invention, after the step of removing the second substrate, drying using a hot plate; And edge sealing.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계는, 육방정계 질화붕소 박막을 산소 플라즈마에 노출시키는 단계; 육방정계 질화붕소 박막층을 수소 플라즈마에 노출시키는 단계; 및 육방정계 질화붕소 박막층을 XeF2 기체에 노출시키는 단계;로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 단계;를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, preparing the hexagonal boron nitride thin film may include exposing the hexagonal boron nitride thin film to oxygen plasma; Exposing the hexagonal boron nitride thin film layer to hydrogen plasma; And exposing the hexagonal boron nitride thin film layer to XeF 2 gas. At least one step selected from the group consisting of: may be further included.

본 발명의 일 측면에서, 상기 육방정계 질화붕소 박막층은 수소 결합을 형성하는 원자인 H, O, F 원자 중 하나 이상의 성분을 포함하도록 기능기화 처리 된 육방정계 질화붕소 박막층 일 수 있다. 상기 기능기화 처리 된 육방정계 질화붕소 박막층은 B-H, B-O, B-F 및 B-F2 결합을 포함하는 것일 수 있다. In one aspect of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer may be a hexagonal boron nitride thin film layer functionalized to include at least one component of H, O, F atoms which are atoms forming a hydrogen bond. The functional vaporization hexagonal boron nitride thin film layer may be one containing BH, BO, BF and BF 2 bond.

본 발명의 일 측면에서는 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 기판에 형성시킨 상태에서 산소 플라즈마 및 수소 플라즈마를 이용하여 산소 기능기화 및 수소 기능기화 공정을 수행할 수 있다. 또한, 기판에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 XeF2 기체에 노출시킴으로써 불소 기능기화 된 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 있다.In an aspect of the present invention, the oxygen functionalization and hydrogen functionalization processes may be performed using an oxygen plasma and a hydrogen plasma while the formed hexagonal boron nitride thin film is formed on a substrate. In addition, the hexagonal boron nitride thin film formed on the substrate may be exposed to XeF 2 gas to form a fluorine functionalized hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 또 다른 일 측에서는 상기 제조방법을 이용하여 제조한 막전극접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a fuel cell including a membrane electrode assembly manufactured using the manufacturing method.

본 발명의 또 다른 일 측에 따르는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지는, 분리판; 집전체; 및 본 발명의 일 실시예에 따르는 제조방법을 이용하여 형성된 막전극 접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, a fuel cell including a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane includes: a separator; Current collector; And one or more unit cells including a membrane electrode assembly formed by using the manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

실시예Example

본 발명에서 제공하는 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 수소이온 교환층으로 적용하고 연료전지 성능의 향상을 확인하기 위하여 저압 화학 기상 증착법과 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 제조방법을 이용하여 기판 상에 단원자층의 육방정계 질화붕소 박막이 3 개 AA′ 구조로 적층된 형태의 수소이온 교환층을 제조하였다. 그 후 이를 이용하여 상기 수소이온 교환층 상하로 각각 50 ㎛ 두께의 나피온 계면 접합층을 형성하였고, 애노드 전극층 - 나피온 계면접합층 - AA′ 구조의 육방정계 질화붕소 박막(3층)층 - 나피온 계면접합층 - 캐소드 전극층 형태의 샌드위치 구조를 포함하는 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델을 제작하고 성능을 평가하였다.In order to apply the hexagonal boron nitride thin film laminated with the AA ′ structure provided by the present invention as a hydrogen ion exchange layer and to confirm the improvement of fuel cell performance, a low pressure chemical vapor deposition method and a manufacturing method provided by an embodiment of the present invention are provided. A hydrogen ion exchange layer was prepared in which a hexagonal boron nitride thin film of a monoatomic layer was laminated in a structure of three AA ′ on a substrate. Thereafter, a Nafion interface junction layer having a thickness of 50 μm was formed above and below the hydrogen ion exchange layer, and an anode electrode layer-a Nafion interface junction layer-a hexagonal boron nitride thin film (3 layer) layer having an AA ′ structure- A membrane electrode assembly model of DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) including a sandwich structure in the form of a Nafion interfacial junction layer-cathode electrode layer was fabricated and its performance was evaluated.

상기 본 발명의 실시예와 비교하기 위하여, 3 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층한 것 대신 통상적으로 이용되는 나피온 211 을 수소이온 교환층으로 사용한 것을 제외하면 동일한 방법을 이용하여 본 발명의 비교예 1을 제작하였다.In order to compare with the above embodiment of the present invention, instead of stacking three hexagonal boron nitride thin films in AA 'structure, the same method was used as in Nafion 211 except that a hydrogen ion exchange layer was used. Comparative Example 1 of the invention was produced.

상기 본 발명의 실시예와 비교하기 위하여, 단원자층 육방정계 질화붕소 박막을 복수 개 적층하지 않고 단원자층 육방정계 질화붕소 박막 한 개로 대체한 것을 제외하면 동일한 방법을 이용하여 본 발명의 비교예 2를 제작하였다.In order to compare with the embodiment of the present invention, Comparative Example 2 of the present invention using the same method except for replacing a plurality of monoatomic layer hexagonal boron nitride thin film with one single monolayer layer hexagonal boron nitride thin film Produced.

상기 본 발명의 실시예와 비교하기 위하여, 단원자층 육방정계 질화붕소 박막을 복수 개 적층하지 않고 단원자층 그래핀 박막 한 개로 대체한 것을 제외하면 동일한 방법을 이용하여 본 발명의 비교예 3을 제작하였다.In order to compare with the embodiment of the present invention, Comparative Example 3 of the present invention was produced by using the same method except that a single monoatomic layer graphene thin film was not laminated with a plurality of monoatomic layer hexagonal boron nitride thin films. .

상기 본 발명의 실시예와 비교하기 위하여, 3 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층한 것 대신 난층 구조(turbostratic)로 적층한 것을 제외하면 동일한 방법을 이용하여 본 발명의 비교예 4를 제작하였다.In order to compare with the embodiment of the present invention, Comparative Example 4 of the present invention by using the same method except that three hexagonal boron nitride thin film laminated in a turbostratic instead of laminated in AA 'structure Produced.

도 5는, 단일층 그래핀과 본 발명의 일 실시예에 따르는 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막(실시예)과 본 발명의 비교예들의 가스 크로스오버 현상의 발생 정도를 확인할 수 있는 그래프로서, 도 5(a)는 전류 밀도-셀 전압을 나타내는 I-V 그래프이고, 도 5(b)는 전압에 따른 전류 압력을 나타내는 그래프이다.5 is a single layer graphene and a hexagonal boron nitride thin film (Example) laminated in the AA 'structure according to an embodiment of the present invention and the degree of occurrence of gas crossover phenomenon of the comparative examples of the present invention can be confirmed As a graph, FIG. 5 (a) is an IV graph showing the current density-cell voltage, and FIG. 5 (b) is a graph showing the current pressure according to the voltage.

도 5(a)의 결과를 보면, 비교예 2 및 비교예 3은 약 1.05 A cm- 2 의 전류 밀도를 보여주지만, 도 5(b)에서 10 mA cm-2 에 가까운 투과 전류 값을 보이는 것을 보면, 결함이나 결정립계를 통한 가스 크로스오버 현상이 많이 발생하는 것을 알 수 있다. Fig. The results of the 5 (a), Comparative Example 2 and Comparative Example 3 was about 1.05 A cm - but to show the current density of 2, showing the permeation current value close to the Fig. 5 (b) at 10 mA cm -2 It can be seen that a large number of gas crossovers occur through defects or grain boundaries.

반면, 본 발명의 실시예인 AA' 구조로 적층된 3 개의 육방정계 질화붕소 박막은 1.0 A cm-2 전류 밀도를 나타내면서, 투과 전류는 2.5 mA cm-2로 매우 낮은 수준을 보이므로, 이를 통해 결함이나 결정립계를 통한 가스 크로스오버 현상이 매우 적게 발생한 것을 알 수 있다.On the other hand, the three hexagonal boron nitride thin film deposited in the AA 'structure of the embodiment of the present invention exhibits a 1.0 A cm -2 current density, the transmission current is very low level of 2.5 mA cm -2 , through this defect However, it can be seen that very little gas crossover occurs through grain boundaries.

한편 비교예 4는, 0.875 A cm-2 전류밀도를 보이고 있는데 AA′ 구조에 비해 수소이온의 통과가 어려운 구조를 하고 있으므로 전류 밀도 측면에서 그 성능이 저하되는 것을 확인하였다.On the other hand, Comparative Example 4 showed a current density of 0.875 A cm -2 , but it was confirmed that its performance was lowered in terms of current density, since it had a structure in which hydrogen ions were more difficult to pass than AA 'structure.

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막 및 비교예(비교예 1 및 비교예 2)들의 장기 내구성 평가의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing the results of long-term durability evaluation of hexagonal boron nitride thin films and Comparative Examples (Comparative Examples 1 and 2) laminated in AA ′ structure according to an embodiment of the present invention.

장기 내구성 평가의 실험 결과를 보면 비교예 1의 경우 화학적으로 안정하지 않기 때문에 40시간부터 성능 저하 현상이 급격하게 일어 나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명의 실시예와 비교예 2의 경우 육방정계 질화붕소 박막을 사용하였기 때문에 화학적으로 안정하여 성능 저하 현상이 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다. When the experimental results of the long-term durability evaluation, it was confirmed that in the case of Comparative Example 1 is not chemically stable, the performance deterioration phenomenon suddenly occurs from 40 hours. In addition, since the hexagonal boron nitride thin film was used in Examples and Comparative Example 2 of the present invention, it was confirmed that the phenomenon of performance deterioration occurred hardly due to chemical stability.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described by the limited embodiments and the drawings as described above, various modifications and variations are possible to those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques may be performed in a different order than the described method, and / or the described components may be combined or combined in a different form than the described method, or replaced or substituted by other components or equivalents. Appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are within the scope of the claims that follow.

Claims (17)

애노드 전극층;
캐소드 전극층; 및
상기 애노드 전극층과 상기 캐소드 전극층 사이에,
복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 AA′ 구조로 적층된 수소이온 교환층;을 포함하고,
상기 복수 겹의 육방정계 질화붕소 박막 중 하나 이상은, H 및 F로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이 기능기화 된 것인,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
An anode electrode layer;
A cathode electrode layer; And
Between the anode electrode layer and the cathode electrode layer,
And a plurality of hexagonal boron nitride thin films having a hydrogen ion exchange layer stacked in an AA ′ structure.
One or more of the plurality of hexagonal boron nitride thin film is one or more selected from the group consisting of H and F is functionalized,
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
제1항에 있어서,
상기 육방정계 질화붕소 박막은 단원자(monatomic)층인 것인,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
The method of claim 1,
The hexagonal boron nitride thin film is a monoatomic layer (monatomic),
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
제1항에 있어서,
상기 수소이온 교환층은, 세 겹의 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 것인,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
The method of claim 1,
The hydrogen ion exchange layer is to include three layers of hexagonal boron nitride thin film,
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
제1항에 있어서,
상기 애노드 전극층과 상기 수소이온 교환층 사이, 상기 캐소드 전극층과 상기 수소이온 교환층 사이 또는 둘 다에 형성되는 계면 접합층;을 더 포함하는,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
The method of claim 1,
And an interface bonding layer formed between the anode electrode layer and the hydrogen ion exchange layer, between the cathode electrode layer and the hydrogen ion exchange layer, or both.
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
제4항에 있어서,
상기 계면 접합층은, 나피온(Nafion, Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, 백금 및 탄소지지체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
The method of claim 4, wherein
The interfacial bonding layer, Nafion (Nafion, Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, platinum and one or more selected from the group consisting of carbon support,
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 6 has been abandoned upon payment of a setup registration fee. 제4항에 있어서,
상기 계면 접합층은 두께가 2 μm 내지 50 μm 인 것인,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
The method of claim 4, wherein
The interface bonding layer is 2 μm to 50 μm in thickness,
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 7 was abandoned upon payment of a set-up fee. 제1항에 있어서,
상기 애노드 전극층, 상기 캐소드 전극층 또는 둘 다는, 백금, 루테늄, 백금을 포함하는 합금 및 코어를 포함하는 쉘 구조의 백금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함하는 것인,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
The method of claim 1,
Wherein the anode electrode layer, the cathode electrode layer, or both, comprises one or more catalysts selected from the group consisting of platinum, ruthenium, an alloy comprising platinum and platinum in a shell structure comprising a core,
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 8 has been abandoned upon payment of a set-up fee. 제1항에 있어서,
상기 육방정계 질화붕소 박막은 두께가 0.3 nm 내지 3.0 nm 인 것인,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
The method of claim 1,
The hexagonal boron nitride thin film has a thickness of 0.3 nm to 3.0 nm,
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
삭제delete 분리판;
집전체; 및
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 연료전지 막전극접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함하는,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지.
Separators;
Current collector; And
At least one unit cell comprising the fuel cell membrane electrode assembly of any one of claims 1 to 8;
A fuel cell comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
제1 기판 상에 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층하는 단계;
상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막의 상기 제1 기판이 위치한 반대쪽 면 상에 제1 계면접합층을 형성하고 습식 전사(wet transfer) 기법으로 상기 제1 기판을 분리하는 단계;
상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막의 상기 제1 계면접합층이 위치한 반대쪽 면이, 제2 기판 상에 형성된 제2 전극 및 상기 제2 전극 상에 형성된 제2 계면접합층 상에 접하도록 전사하는 단계;
상기 제1 계면접합층의 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 위치한 반대쪽 면 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및
상기 제2 기판을 제거하는 단계;를 포함하는,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법.
Stacking a plurality of hexagonal boron nitride thin films on the first substrate in an AA ′ structure;
Forming a first interfacial junction layer on an opposite side of the stacked plurality of hexagonal boron nitride thin films on which the first substrate is located and separating the first substrate by a wet transfer technique;
The opposite surface on which the first interfacial bonding layer of the plurality of laminated hexagonal boron nitride thin films is located is transferred so as to contact the second electrode formed on the second substrate and the second interfacial bonding layer formed on the second electrode. Making;
Forming a first electrode on an opposite side of the stacked plurality of hexagonal boron nitride thin films of the first interfacial junction layer; And
Removing the second substrate;
A method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 12 was abandoned upon payment of a set-up fee. 제11항에 있어서,
상기 제1 기판 상에 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층하는 단계는, 저압 화학 기상 증착법을 이용하는 것인,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법.
The method of claim 11,
Stacking a plurality of hexagonal boron nitride thin films in the AA 'structure on the first substrate, using a low pressure chemical vapor deposition method,
A method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
제11항에 있어서,
상기 제1 전극을 형성하는 단계는, 스프레이 코팅법 또는 바 코팅법에 의해 수행되는 것인,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법.
The method of claim 11,
Forming the first electrode, is performed by a spray coating method or a bar coating method,
A method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
제11항에 있어서,
상기 제2 기판을 제거하는 단계는, HF, H2NO3 및 H3PO4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 산 수용액을 사용하는 것인,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법.
The method of claim 11,
Removing the second substrate is to use an aqueous acid solution containing at least one selected from the group consisting of HF, H 2 NO 3 and H 3 PO 4 ,
A method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
제11항에 있어서,
상기 제2 기판을 제거하는 단계 후에,
핫플레이트를 이용하여 건조하는 단계; 및
가장자리를 밀봉(edge sealing)하는 단계;를 더 포함하는 것인,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법.
The method of claim 11,
After removing the second substrate,
Drying using a hot plate; And
To further include edge sealing (edge sealing);
A method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
제11항에 있어서,
상기 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계는,
육방정계 질화붕소 박막을 산소 플라즈마에 노출시키는 단계;
육방정계 질화붕소 박막층을 수소 플라즈마에 노출시키는 단계; 및
육방정계 질화붕소 박막층을 XeF2 기체에 노출시키는 단계;로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 단계;를 더 포함하는,
적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법.
The method of claim 11,
Preparing the hexagonal boron nitride thin film,
Exposing the hexagonal boron nitride thin film to an oxygen plasma;
Exposing the hexagonal boron nitride thin film layer to hydrogen plasma; And
Hexagonal boron nitride thin film layer with XeF 2 Exposing to gas; at least one step selected from the group consisting of; further comprising,
A method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly comprising a stacked hexagonal boron nitride thin film.
분리판;
집전체; 및
제11항 내지 제16항 중 어느 한 항의 제조방법을 이용하여 형성된 막전극접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함하는,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지.
Separators;
Current collector; And
At least one unit cell comprising a membrane electrode assembly formed using the manufacturing method of any one of claims 11 to 16;
A fuel cell comprising a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
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