KR102090860B1 - Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly comprising the same and fuel cell comprising the membrane electrode assembly - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.The present specification relates to a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly comprising the same, and a fuel cell comprising the membrane electrode assembly.

Description

고분자 전해질막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지{POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY COMPRISING THE SAME AND FUEL CELL COMPRISING THE MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY}A polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly comprising the same, and a fuel cell comprising the membrane electrode assembly TECHNICAL FIELD

본 명세서는 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.The present specification relates to a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly comprising the same, and a fuel cell comprising the membrane electrode assembly.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목받고 있다.Recently, as the depletion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of these alternative energies, fuel cells are particularly attracting attention due to advantages such as high efficiency, no emission of pollutants such as NOx and SOx, and abundant fuel used.

연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electrical energy, and hydrocarbons such as hydrogen, methanol, and butane are used as fuel, and oxygen is used as an oxidant.

연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuel And SOFCs.

대한민국 특허공개 제 2003-0045324 호 (2003.06.11 공개)Republic of Korea Patent Publication No. 2003-0045324 (released on June 11, 2003)

본 명세서는 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공하고자 한다.This specification is intended to provide a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly comprising the same, and a fuel cell comprising the membrane electrode assembly.

본 명세서는 술폰화된 탄화수소계 고분자; 및 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위와 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 술폰화된 불소계 고분자를 포함하는 고분자 전해질막을 제공한다.The present specification is a sulfonated hydrocarbon-based polymer; And it provides a polymer electrolyte membrane comprising a sulfonated fluorine-based polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (1) and a repeating unit represented by the following formula (2).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112016078668130-pat00001
Figure 112016078668130-pat00001

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112016078668130-pat00002
Figure 112016078668130-pat00002

상기 화학식 1 및 2에서, R은 탄소수 2 내지 4인 플루오르화알킬렌기이며, X는 1가의 양이온기이고, m 및 n은 각각 독립적으로 1 내지 15의 정수이다.In Formulas 1 and 2, R is a fluorinated alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, X is a monovalent cation group, and m and n are each independently an integer of 1 to 15.

또한, 본 명세서는 술폰화된 탄화수소계 고분자; 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위와 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 술폰화된 불소계 고분자; 및 용매를 포함하는 고분자 전해질막용 조성물을 제공한다.In addition, the present specification is a sulfonated hydrocarbon-based polymer; A sulfonated fluorine-based polymer comprising a repeating unit represented by Chemical Formula 1 and a repeating unit represented by Chemical Formula 2; And it provides a composition for a polymer electrolyte membrane comprising a solvent.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112016078668130-pat00003
Figure 112016078668130-pat00003

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112016078668130-pat00004
Figure 112016078668130-pat00004

상기 화학식 1 및 2에서, R은 탄소수 2 내지 4인 플루오르화알킬렌기이며, X는 1가의 양이온기이고, m 및 n은 각각 독립적으로 1 내지 15의 정수이다.In Formulas 1 and 2, R is a fluorinated alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, X is a monovalent cation group, and m and n are each independently an integer of 1 to 15.

또한, 본 명세서는 애노드; 캐소드; 및 상기 애노드 및 캐소드 사이에 구비된 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체를 제공한다. In addition, the present specification is an anode; Cathode; And it provides a membrane electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode.

또한, 본 명세서는 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공한다. In addition, the present specification provides a fuel cell including the membrane electrode assembly.

또한, 본 명세서는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비된 상기 고분자 전해질막을 포함하는 전기화학 전지를 제공한다. In addition, the present specification provides an electrochemical cell including a first electrode, a second electrode, and the polymer electrolyte membrane provided between the first electrode and the second electrode.

또한, 본 명세서는 상기 전기화학 전지를 단위전지로 포함하는 전지 모듈을 제공한다. In addition, the present specification provides a battery module including the electrochemical cell as a unit cell.

본 명세서에 따른 고분자 전해질막이 구비된 전지는 저가습에서 성능이 향상되는 장점이 있다. The battery provided with the polymer electrolyte membrane according to the present specification has an advantage of improving performance at low humidity.

본 명세서에 따른 고분자 전해질막이 구비된 전지는 고전류밀도 영역에서 성능이 향상되는 장점이 있다. The battery provided with the polymer electrolyte membrane according to the present specification has an advantage of improving performance in a high current density region.

도 1은 연료 전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 막 전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 연료 전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1-2의 상대습도 50%의 운전조건에서 전류밀도를 비교한 그래프이다.
1 is a schematic view showing the principle of electricity generation in a fuel cell.
2 is a view schematically showing the structure of a membrane electrode assembly.
3 is a view schematically showing an embodiment of a fuel cell.
4 is a graph comparing current densities under operating conditions of 50% relative humidity in Example 1 and Comparative Example 1-2.

이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in detail.

본 명세서는 술폰화된 탄화수소계 고분자; 및 술폰화된 불소계 고분자를 포함하는 고분자 전해질막을 제공한다.The present specification is a sulfonated hydrocarbon-based polymer; And it provides a polymer electrolyte membrane comprising a sulfonated fluorine-based polymer.

상기 고분자 전해질막의 당량(equivalent weight, EW)은 특별히 한정하지 않으나, 구체적으로 500 meq/g 이상 1000 meq/g 이하일 수 있다. 이때, 상기 당량은 술폰산기(-SO3H) 1mol에 대한 단위분자량을 의미한다.The equivalent weight (EW) of the polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but may be specifically 500 meq / g or more and 1000 meq / g or less. At this time, the equivalent weight refers to a unit molecular weight with respect to 1 mol of sulfonic acid groups (-SO 3 H).

상기 술폰화된 탄화수소계 고분자는 술폰산기를 갖는 탄화수소계 고분자라면 특별히 한정하지 않으나, 술포네이티드 폴리 에테르에테르키톤, 술포네이티드 폴리키톤, 술포네이티드 폴리(페닐렌 옥사이드), 술포네이티드 폴리(페닐렌 술파이드), 술포네이티드 폴리술폰, 술포네이티드 폴리카보네이트, 술포네이티드 폴리스티렌, 술포네이티드 폴리이미드, 술포네이티드 폴리퀴녹살린, 술포네이티드 (포스포네이티드) 폴리포스파젠 및 술포네이티드 폴리벤즈이미다졸 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The sulfonated hydrocarbon-based polymer is not particularly limited as long as it is a hydrocarbon-based polymer having a sulfonic acid group, but sulfonated poly ether ether chitone, sulfonated poly chitone, sulfonated poly (phenylene oxide), sulfonated poly (phenyl) Len sulfide), sulfonated polysulfone, sulfonated polycarbonate, sulfonated polystyrene, sulfonated polyimide, sulfonated polyquinoxaline, sulfonated (phosphonated) polyphosphazene and sulfony Tited polybenzimidazole.

상기 술폰화된 탄화수소계 고분자의 중량 평균 분자량은 수만에서 수백만일 수 있다. 구체적으로, 상기 술폰화된 탄화수소계 고분자의 중량 평균 분자량은 1만 이상 100만 이하에서 선택될 수 있다.The sulfonated hydrocarbon-based polymer may have a weight average molecular weight of tens of thousands to millions. Specifically, the weight average molecular weight of the sulfonated hydrocarbon-based polymer may be selected from 10,000 to 1 million.

상기 술폰화된 탄화수소계 고분자의 당량은 500 meq/g 이상 1000 meq/g 이하일 수 있다. The equivalent of the sulfonated hydrocarbon-based polymer may be 500 meq / g or more and 1000 meq / g or less.

본 명세서는 술폰화된 탄화수소계 고분자; 및 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위와 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 술폰화된 불소계 고분자를 포함하는 고분자 전해질막을 제공한다.The present specification is a sulfonated hydrocarbon-based polymer; And it provides a polymer electrolyte membrane comprising a sulfonated fluorine-based polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (1) and a repeating unit represented by the following formula (2).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112016078668130-pat00005
Figure 112016078668130-pat00005

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112016078668130-pat00006
Figure 112016078668130-pat00006

상기 화학식 1 및 2에서, R은 탄소수 2 내지 4인 플루오르화알킬렌기이며, X는 1가의 양이온기이고, m 및 n은 각각 독립적으로 1 내지 15의 정수이다.In Formulas 1 and 2, R is a fluorinated alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, X is a monovalent cation group, and m and n are each independently an integer of 1 to 15.

상기 술폰화된 탄화수소계 고분자와 상기 술폰화된 불소계 고분자의 중량의 합을 기준으로, 상기 술폰화된 불소계 고분자의 함량은 1 중량% 이상 10 중량% 이하일 수 있다. 이 경우 저가습조건에서 적용된 연료전지의 성능이 향상되는 장점이 있다.Based on the sum of the weights of the sulfonated hydrocarbon-based polymer and the sulfonated fluorine-based polymer, the content of the sulfonated fluorine-based polymer may be 1% by weight or more and 10% by weight or less. In this case, the performance of the fuel cell applied under low-humidity conditions is improved.

상기 술폰화된 탄화수소계 고분자와 상기 술폰화된 불소계 고분자의 중량의 합을 기준으로, 상기 술폰화된 불소계 고분자의 함량은 3 중량% 이상 10 중량% 이하일 수 있으며, 3 중량% 이상 5 중량% 이하인 것이 바람직하다. 이 경우 기계적 물성이 유지되며 적용된 연료전지의 성능이 향상되는 장점이 있다.Based on the sum of the weight of the sulfonated hydrocarbon-based polymer and the sulfonated fluorine-based polymer, the content of the sulfonated fluorine-based polymer may be 3% by weight or more and 10% by weight or less, and 3% by weight or more and 5% by weight or less It is preferred. In this case, the mechanical properties are maintained and the performance of the applied fuel cell is improved.

상기 술폰화된 불소계 고분자의 당량은 900 meq/g 이하일 수 있다. 해당 범위 내의 EW를 갖는 술폰화된 불소계 고분자를 술폰화된 탄화수소계 고분자와 함께 고분자 전해질막을 제조하는 경우 저가습 조건에서 연료전지의 성능이 개선되는 효과가 있다. The equivalent of the sulfonated fluorine-based polymer may be 900 meq / g or less. When producing a polymer electrolyte membrane with a sulfonated fluorine-based polymer having an EW within the range, along with a sulfonated hydrocarbon-based polymer, there is an effect of improving the performance of the fuel cell under low-humidity conditions.

상기 술폰화된 불소계 고분자의 당량은 700 meq/g 이상 900 meq/g 이하일 수 있으며, 구체적으로 725 meq/g 이상 900 meq/g 이하일 수 있다. 상기 술폰화된 불소계 고분자의 당량은 725 meq/g 이상 850 meq/g 이하인 것이 바람직하다.The equivalent of the sulfonated fluorine-based polymer may be 700 meq / g or more and 900 meq / g or less, and specifically 725 meq / g or more and 900 meq / g or less. The equivalent of the sulfonated fluorine-based polymer is preferably 725 meq / g or more and 850 meq / g or less.

상기 화학식 2로 표시되는 반복단위는 하기 화학식 3 내지 5 중 어느 하나로 표시될 수 있다. The repeating unit represented by Chemical Formula 2 may be represented by any one of Chemical Formulas 3 to 5 below.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112016078668130-pat00007
Figure 112016078668130-pat00007

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112016078668130-pat00008
Figure 112016078668130-pat00008

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112016078668130-pat00009
Figure 112016078668130-pat00009

상기 화학식 3 내지 5에서, X는 1가의 양이온기이고, m은 1 내지 15의 정수이다. In Chemical Formulas 3 to 5, X is a monovalent cation group, and m is an integer from 1 to 15.

상기 화학식 2 내지 5에서, X는 1가의 양이온기이라면 특별히 한정하지 않으나, H+, NH4 +, K+, Li+ 또는 Na+일 수 있다. In Chemical Formulas 2 to 5, X is not particularly limited as long as it is a monovalent cationic group, but may be H + , NH 4 + , K + , Li + or Na + .

상기 화학식 2로 표시되는 반복단위는 상기 화학식 4 내지 5 중 어느 하나로 표시될 수 있으며, 화학식 5로 표시되는 것이 바람직하다. 이 경우 저가습조건에서 적용된 연료전지의 성능이 향상되는 장점이 있다. The repeating unit represented by Chemical Formula 2 may be represented by any one of Chemical Formulas 4 to 5, and is preferably represented by Chemical Formula 5. In this case, the performance of the fuel cell applied under low-humidity conditions is improved.

상기 술폰화된 불소계 고분자는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위와 상기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함할 수 있으며, 상기 화학식 1 및 5에서, X는 1가의 양이온기이고, m 및 n은 각각 독립적으로 1 내지 15의 정수이다.The sulfonated fluorine-based polymer may include a repeating unit represented by Formula 1 and a repeating unit represented by Formula 5, wherein in Formulas 1 and 5, X is a monovalent cationic group, and m and n are respectively. It is an integer of 1-15 independently.

상기 술폰화된 불소계 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위와 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위만으로 이루어질 수 있다. The sulfonated fluorine-based polymer may be composed of only repeating units represented by the following Chemical Formula 1 and repeating units represented by the following Chemical Formula 5.

상기 고분자 전해질막은 다공성 지지체를 더 포함하고, 상기 술폰화된 탄화수소계 고분자 및 상기 술폰화된 불소계 고분자는 상기 다공성 지지체의 기공 내에 함침되어 구비될 수 있다. The polymer electrolyte membrane further includes a porous support, and the sulfonated hydrocarbon-based polymer and the sulfonated fluorine-based polymer may be impregnated in the pores of the porous support.

본 명세서는 애노드; 캐소드; 및 상기 애노드 및 캐소드 사이에 구비된 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체를 제공한다. This specification is an anode; Cathode; And it provides a membrane electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode.

상기 막 전극 접합체는 고분자 전해질막에 대해 상술한 설명을 인용할 수 있다.The membrane electrode assembly may cite the above-described description of the polymer electrolyte membrane.

도 1은 연료 전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 연료 전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막 전극 접합체(MEA)인데, 이는 전해질막(M)과 이 전해질막(M)의 양면에 형성되는 애노드(A) 및 캐소드(C)로 구성된다. 연료 전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 애노드(A)에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료(F)의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 수소 이온은 전해질막(M)을 통해 캐소드(C)으로 이동한다. 캐소드(C)에서는 전해질막(M)을 통해 전달된 수소 이온과, 산소와 같은 산화제(O) 및 전자가 반응하여 물(W)이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.FIG. 1 schematically shows the principle of electricity generation in a fuel cell, and in a fuel cell, the most basic unit for generating electricity is a membrane electrode assembly (MEA), which is an electrolyte membrane M and this electrolyte membrane M It consists of an anode (A) and a cathode (C) formed on both sides of. Referring to Fig. Showing the electricity generating principle of a fuel cell 1, an anode (A) in the hydrogen or methanol, butane and the oxidation of the fuel (F) of the hydrocarbon and so on up the hydrogen ions (H +) and electron (e -), such as Is generated, and hydrogen ions move to the cathode C through the electrolyte membrane M. In the cathode C, hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane M react with oxidizing agents such as oxygen (O) and electrons to generate water (W). The reaction causes electron movement to occur in the external circuit.

도 2에 도시된 바와 같이, 막 전극 접합체는 전해질막(10)과, 이 전해질막(10)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 캐소드(50) 및 애노드(51)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 캐소드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 구비된 캐소드 촉매층(20)과 캐소드 기체확산층(30)을 포함하고, 애노드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 구비된 애노드 촉매층(21)과 애노드 기체확산층 (31)을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly may include an electrolyte membrane 10 and a cathode 50 and an anode 51 positioned to face each other with the electrolyte membrane 10 interposed therebetween. Specifically, the cathode includes the cathode catalyst layer 20 sequentially provided from the electrolyte membrane 10 and the cathode gas diffusion layer 30, and the anode includes the anode catalyst layer 21 and the anode sequentially provided from the electrolyte membrane 10. A gas diffusion layer 31 may be included.

상기 애노드 및 캐소드는 각각 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층을 포함할 수 있다. The anode and the cathode may include an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer, respectively.

상기 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층은 각각 촉매 및 이오노머(ionomer)를 포함할 수 있다.The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer may each include a catalyst and an ionomer.

상기 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층을 형성하는 각각의 촉매 잉크는 독립적으로 촉매, 이오노머 및 용매를 포함할 수 있다.Each catalyst ink forming the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer may independently include a catalyst, an ionomer, and a solvent.

상기 촉매는 연료 전지에서 촉매의 역할을 할 수 있다면 그 종류를 한정하지 않으나, 백금, 전이금속 및 백금-전이금속 합금 중 하나를 포함할 수 있다. The catalyst is not limited as long as it can serve as a catalyst in a fuel cell, but may include one of platinum, transition metals and platinum-transition metal alloys.

여기서, 전이금속은 주기율표에서 3 내지 11족 원소이며, 예를 들면, 루테늄, 오스뮴, 팔라듐, 몰리브덴 및 로듐 중 어느 하나일 수 있다. Here, the transition metal is a group 3 to 11 element in the periodic table, and may be, for example, any one of ruthenium, osmium, palladium, molybdenum, and rhodium.

구체적으로, 상기 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-몰리브덴 합금 및 백금-로듐 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.Specifically, the catalyst may be selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-molybdenum alloy and platinum-rhodium alloy, but is not limited thereto. Does not.

상기 촉매들은 그 자체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.The catalysts can be used by themselves as well as supported on a carbon-based carrier.

상기 탄소계 담체로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P블랙(Super P black)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직한 예가 될 수 있다.Examples of the carbon-based carrier include graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, cachon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, carbon nanowire, A preferred example may be any one or two or more mixtures selected from the group consisting of fullerene (C60) and super P black.

상기 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질막으로 이동하기 위한 통로를 제공하여 주는 역할을 한다. 상기 이오노머는 구체적으로 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 사용될 수 있다.The ionomer serves to provide a passage for ions generated by reaction between a fuel such as hydrogen or methanol and a catalyst to move to the electrolyte membrane. As the ionomer, a sulfonated polymer such as Nafion ionomer or sulfonated polytrifluorostyrene may be used.

상기 촉매 잉크에 포함되는 용매로는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트 및 에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다.As the solvent included in the catalyst ink, any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of water, butanol, isopropanol, methanol, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate and ethylene glycol is preferred. Can be used.

촉매층을 도입하는 과정은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행할 수 있는데, 예를 들면 촉매 잉크를 전해질막에 직접적으로 코팅하거나, 이형성 기재에 촉매층을 형성한 후 전해질막에 열압착하고 이형성 기재를 제거하여 형성하거나, 기체확산층에 코팅하여 촉매층을 형성할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 잉크젯 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다.The process of introducing the catalyst layer may be performed by a conventional method known in the art, for example, directly coating the catalyst ink on the electrolyte membrane, or forming a catalyst layer on the release substrate, followed by thermal compression on the electrolyte membrane and release. It can be formed by removing the substrate, or coated on a gas diffusion layer to form a catalyst layer. At this time, the coating method of the catalyst ink is not particularly limited, but spray coating, tape casting, screen printing, blade coating, inkjet coating, die coating or spin coating may be used.

상기 애노드 기체확산층 및 캐소드 기체확산층은 촉매층의 일면에 각각 구비되며, 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층은 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다.The anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are respectively provided on one surface of the catalyst layer, and have a porous structure as a passage for reaction gas and water together with a role as a current conductor. Therefore, the gas diffusion layer may be formed of a conductive substrate.

상기 도전성 기재로는 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있으나, 예를 들면 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있으며 이에 한정되지 않는다.As the conductive substrate, a conventional material known in the art may be used, but, for example, carbon paper, carbon cloth, or carbon felt may be preferably used, and is limited thereto. Does not work.

상기 기체확산층의 두께는 200㎛ 이상 500㎛ 이하일 수 있다. 이 경우 가스확산층을 통한 반응물가스 전달 저항 최소화와 가스확산층 내 적정수분 함유 관점에서 최적의 상태가 되는 장점이 있다.The gas diffusion layer may have a thickness of 200 μm or more and 500 μm or less. In this case, there is an advantage in that the reactant gas transfer resistance through the gas diffusion layer is minimized and the optimum condition is contained in the gas diffusion layer.

본 명세서는 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공한다. 구체적으로, 상기 연료 전지는 2 이상의 막 전극 접합체를 포함할 수 있다. The present specification provides a fuel cell including the membrane electrode assembly. Specifically, the fuel cell may include two or more membrane electrode assemblies.

상기 연료 전지는 본 명세서에 따른 2 이상의 막 전극 접합체와 막 전극 접합체들 사이에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 스택으로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지를 제공한다. The fuel cell comprises: a stack comprising two or more membrane electrode assemblies according to the present specification and a separator provided between the membrane electrode assemblies; A fuel supply unit supplying fuel to the stack; And it provides a fuel cell including an oxidizing agent supply for supplying the oxidizing agent to the stack.

도 3은 연료 전지의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료 전지는 스택(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.3 schematically shows the structure of a fuel cell, and the fuel cell includes a stack 60, an oxidizing agent supply unit 70, and a fuel supply unit 80.

스택(60)은 상술한 막 전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막 전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 막 전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.The stack 60 includes one or more of the above-described membrane electrode assemblies, and when two or more membrane electrode assemblies are included, includes a separator interposed therebetween. The separator serves to prevent the membrane electrode assemblies from being electrically connected and to transfer fuel and oxidant supplied from the outside to the membrane electrode assembly.

산화제 공급부(70)는 산화제를 스택(60)으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 산화제 공급부(70)로 주입하여 사용할 수 있다.The oxidizing agent supply unit 70 serves to supply the oxidizing agent to the stack 60. As the oxidizing agent, oxygen is typically used, and oxygen or air may be injected into the oxidizing agent supply unit 70 to be used.

연료 공급부(80)는 연료를 스택(60)으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료 탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.The fuel supply unit 80 serves to supply fuel to the stack 60, and to a fuel tank 81 for storing fuel and a pump 82 for supplying fuel stored in the fuel tank 81 to the stack 60. Can be configured. As the fuel, gaseous or liquid hydrogen or hydrocarbon fuels may be used. Examples of hydrocarbon fuels include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 명세서는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비된 상기 고분자 전해질막을 포함하는 전기화학 전지를 제공한다. The present specification provides an electrochemical cell including a first electrode, a second electrode, and the polymer electrolyte membrane provided between the first electrode and the second electrode.

상기 제1 전극은 양극(positive electrode) 또는 음극(negative electrode)일 수 있으며, 제2 전극은 제1 전극과 반대로 양극 또는 음극일 수 있다. 즉, 제1 전극이 양극일 때에는 제2 전극은 음극이고, 제1 전극이 음극일 때에는 제2 전극은 양극일 수 있다.The first electrode may be a positive electrode or a negative electrode, and the second electrode may be a positive electrode or a negative electrode as opposed to the first electrode. That is, when the first electrode is an anode, the second electrode may be a cathode, and when the first electrode is a cathode, the second electrode may be an anode.

상기 양극은 방전될 때 전자를 받아 환원되는 캐소드이고 충전될 때 산화되어 전자를 내보내는 애노드를 의미한다. 상기 음극은 방전될 때 산화되어 전자를 내보내는 애노드이고 충전될 때 전자를 받아 환원되는 캐소드를 의미한다.The anode is a cathode that receives and reduces electrons when discharged, and means an anode that oxidizes and emits electrons when charged. The cathode is an anode that is oxidized to discharge electrons when discharged and means a cathode that receives electrons and is reduced when charged.

상기 전기화학 전지는 화학반응을 이용한 전지를 의미하며 고분자 전해질막이 구비된다면 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 상기 전기화학 전지는 연료전지, 금속 이차 전지 또는 흐름전지일 수 있다. The electrochemical cell means a cell using a chemical reaction, and if a polymer electrolyte membrane is provided, the type is not particularly limited. For example, the electrochemical cell may be a fuel cell, a metal secondary cell, or a flow cell.

본 명세서는 전기화학 전지를 단위전지로 포함하는 것인 전기화학 전지모듈을 제공한다.The present specification provides an electrochemical cell module that includes an electrochemical cell as a unit cell.

상기 전기화학 전지 모듈은 단위 전지 사이에 바이폴라(bipolar) 플레이트를 삽입하여 스택킹(stacking)하여 형성될 수 있다.The electrochemical cell module may be formed by stacking by inserting a bipolar plate between unit cells.

상기 전지 모듈은 구체적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용될 수 있다.The battery module may be specifically used as a power source for electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, or power storage devices.

상기 전기화학 전지의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들어, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다.The shape of the electrochemical cell is not limited, and may be, for example, coin, flat, cylindrical, horn, button, sheet or stacked.

본 명세서는 술폰화된 탄화수소계 고분자; 및 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위와 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 술폰화된 불소계 고분자를 포함하는 고분자 전해질막용 조성물을 제공한다.The present specification is a sulfonated hydrocarbon-based polymer; And it provides a composition for a polymer electrolyte membrane comprising a sulfonated fluorine-based polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (1) and a repeating unit represented by the following formula (2).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112016078668130-pat00010
Figure 112016078668130-pat00010

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112016078668130-pat00011
Figure 112016078668130-pat00011

상기 화학식 1 및 2에서, R은 탄소수 2 내지 4인 플루오르화알킬렌기이며, X는 1가의 양이온기이고, m 및 n은 각각 독립적으로 1 내지 15의 정수이다.In Formulas 1 and 2, R is a fluorinated alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, X is a monovalent cation group, and m and n are each independently an integer of 1 to 15.

상기 고분자 전해질막용 조성물은 고분자 전해질막에 대해 상술한 설명을 인용할 수 있다.The composition for the polymer electrolyte membrane may cite the above description of the polymer electrolyte membrane.

상기 고분자 전해질막용 조성물은 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 용매의 종류는 상기 술폰화된 탄화수소계 고분자와 술폰화된 불소계 고분자를 녹일 수 있다면 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.The composition for a polymer electrolyte membrane may further include a solvent. The type of the solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the sulfonated hydrocarbon-based polymer and sulfonated fluorine-based polymer, and conventional materials known in the art can be used.

상기 고분자 전해질막용 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 술폰화된 탄화수소계 고분자의 함량은 4.5중량% 이상 9.9중량% 이하일 수 있고, 상기 술폰화된 불소계 고분자는 0.05중량% 이상 1중량% 이하일 수 있고, 상기 용매는 90중량% 이상 95중량% 이하일 수 있다. 이때, 상기 술폰화된 탄화수소계 고분자와 상기 술폰화된 불소계 고분자의 중량의 합을 기준으로, 상기 술폰화된 불소계 고분자의 함량은 1 중량% 이상 10 중량% 이하일 수 있다. Based on the total weight of the composition for the polymer electrolyte membrane, the content of the sulfonated hydrocarbon-based polymer may be 4.5% by weight or more and 9.9% by weight or less, and the sulfonated fluorine-based polymer may be 0.05% by weight or more and 1% by weight or less , The solvent may be 90% by weight or more and 95% by weight or less. At this time, based on the sum of the weight of the sulfonated hydrocarbon-based polymer and the sulfonated fluorine-based polymer, the content of the sulfonated fluorine-based polymer may be 1% by weight or more and 10% by weight or less.

상기 고분자 전해질막용 조성물을 도포하여, 건조 및 경화시켜 고분자 전해질막을 제조할 수 있다. 이때 조성물의 도포 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다.The polymer electrolyte membrane may be coated, dried and cured to prepare a polymer electrolyte membrane. In this case, the method of applying the composition is not particularly limited, but spray coating, tape casting, screen printing, blade coating, die coating or spin coating may be used.

기판 상에 고분자 전해질막용 조성물을 도포하여 지지체 없이 순수한 막을 제조하거나, 지지체의 기공에 고분자 전해질막용 조성물을 함침시켜 강화막을 제조할 수 있다. The composition for a polymer electrolyte membrane may be applied onto a substrate to produce a pure membrane without a support, or a reinforced membrane may be prepared by impregnating the pores of the support with a polymer electrolyte membrane composition.

이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail through examples. However, the following examples are only intended to illustrate the present specification and are not intended to limit the present specification.

[실시예][Example]

[실시예 1][Example 1]

용액의 총 중량을 기준으로, 4.75중량%의 탄화수소계 술폰화 멀티블록 고분자 (EW: 535, 중량평균분자량: 950,000) 및 술폰화 불소계 고분자로서 0.25중량%의 3M polymer(EW: 825, 제품명: E-22122)를 95중량%의 디메틸 술폭시드(DMSO) 용매에 첨가하여 용액을 제조하였다. 이때, 탄화수소계 술폰화 멀티블록 고분자와 술폰화 불소계 고분자의 중량비는 95: 5이었다.Based on the total weight of the solution, 4.75% by weight of hydrocarbon-based sulfonated multi-block polymer (EW: 535, weight average molecular weight: 950,000) and sulfonated fluorine-based polymer, 0.25% by weight of 3M polymer (EW: 825, product name: E -22122) was added to 95% by weight of dimethyl sulfoxide (DMSO) solvent to prepare a solution. At this time, the weight ratio of the hydrocarbon-based sulfonated multi-block polymer and sulfonated fluorine-based polymer was 95: 5.

상기 제조된 용액을 이용하여 clean bench 내 applicator의 수평판 위에서 닥터 블레이드를 이용하여 기판에 고분자 필름을 캐스팅한 후 50℃에서 2시간 이상 유지 후(soft baking), 100℃로 설정된 오븐 안에 집어넣고 하루 동안 건조하여 블렌드 복합막을 제조하였다.Using the prepared solution, cast a polymer film on a substrate using a doctor blade on a horizontal plate of an applicator in a clean bench, hold it at 50 ° C for 2 hours or more (soft baking), put it in an oven set at 100 ° C and put it in a day. During drying, a blend composite membrane was prepared.

[비교예 1][Comparative Example 1]

술폰화 불소계 고분자없이 용액을 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 고분자 전해질막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that a solution was prepared without a sulfonated fluorine-based polymer.

[비교예 2][Comparative Example 2]

술폰화 불소계 고분자로서 0.25중량%의 nafion(EW: 1100, 제품명: D2021)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 고분자 전해질막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.25% by weight of nafion (EW: 1100, product name: D2021) was used as the sulfonated fluorine-based polymer.

[실험예 1][Experimental Example 1]

실시예 1 및 비교예 1-2에 대한 전류밀도는 PEMFC TEST Station을 사용하여, Constant Current 모드로 0 내지 1500 mA/cm2을 스캔하여 측정하였으며, 70℃를 기준으로 상대습도 50%의 운전조건에서 측정하였다. 그 결과를 도 4에 도시했다. The current density for Example 1 and Comparative Example 1-2 was measured by scanning 0 to 1500 mA / cm 2 in a Constant Current mode using a PEMFC TEST Station, and operating conditions of 50% relative humidity based on 70 ° C. It was measured at. The results are shown in FIG. 4.

상기 도 4를 통해, 실시예 1의 경우 RH 50%에서의 성능이 기존 탄화수소계 전해질막(비교예 1 및 2)보다 향상되는 것을 실험을 통해 확인하였다.Through FIG. 4, it was confirmed through experiments that in Example 1, the performance at 50% RH was improved over the existing hydrocarbon-based electrolyte membranes (Comparative Examples 1 and 2).

Claims (13)

술폰화된 탄화수소계 고분자; 및
하기 화학식 1로 표시되는 반복단위와 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 술폰화된 불소계 고분자를 포함하고,
상기 술폰화된 탄화수소계 고분자와 상기 술폰화된 불소계 고분자의 중량의 합을 기준으로, 상기 술폰화된 불소계 고분자의 함량은 1 중량% 이상 10 중량% 이하이며,
상기 술폰화된 불소계 고분자의 당량은 900 meq/g 이하인 것인 고분자 전해질막:
[화학식 1]
Figure 112020013786854-pat00012

[화학식 2]
Figure 112020013786854-pat00013

상기 화학식 1 및 2에서,
R은 탄소수 2 내지 4인 플루오르화알킬렌기이며,
X는 1가의 양이온기이고,
m 및 n은 각각 독립적으로 1 내지 15의 정수이다.
Sulfonated hydrocarbon-based polymers; And
A sulfonated fluorine-based polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (1) and a repeating unit represented by the following formula (2),
Based on the sum of the weight of the sulfonated hydrocarbon-based polymer and the sulfonated fluorine-based polymer, the content of the sulfonated fluorine-based polymer is 1% by weight or more and 10% by weight or less,
The polymer electrolyte membrane having a sulfonated fluorine-based polymer equivalent of 900 meq / g or less:
[Formula 1]
Figure 112020013786854-pat00012

[Formula 2]
Figure 112020013786854-pat00013

In Chemical Formulas 1 and 2,
R is an fluorinated alkylene group having 2 to 4 carbon atoms,
X is a monovalent cationic group,
m and n are each independently an integer of 1 to 15.
삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위는 하기 화학식 3 내지 5 중 어느 하나로 표시되는 것인 고분자 전해질막:
[화학식 3]
Figure 112016078668130-pat00014

[화학식 4]
Figure 112016078668130-pat00015

[화학식 5]
Figure 112016078668130-pat00016

상기 화학식 3 내지 5에서, X는 1가의 양이온기이고, m은 1 내지 15의 정수이다.
The method according to claim 1, wherein the repeating unit represented by Formula 2 is a polymer electrolyte membrane represented by any one of the following Formulas 3 to 5:
[Formula 3]
Figure 112016078668130-pat00014

[Formula 4]
Figure 112016078668130-pat00015

[Formula 5]
Figure 112016078668130-pat00016

In Chemical Formulas 3 to 5, X is a monovalent cation group, and m is an integer from 1 to 15.
청구항 1에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 다공성 지지체를 더 포함하고,
상기 술폰화된 탄화수소계 고분자 및 상기 술폰화된 불소계 고분자는 상기 다공성 지지체의 기공 내에 함침되는 것인 고분자 전해질막.
The method according to claim 1, The polymer electrolyte membrane further comprises a porous support,
The sulfonated hydrocarbon-based polymer and the sulfonated fluorine-based polymer are polymer electrolyte membranes that are impregnated in the pores of the porous support.
술폰화된 탄화수소계 고분자; 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위와 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 술폰화된 불소계 고분자; 및 용매를 포함하고,
상기 술폰화된 탄화수소계 고분자와 상기 술폰화된 불소계 고분자의 중량의 합을 기준으로, 상기 술폰화된 불소계 고분자의 함량은 1 중량% 이상 10 중량% 이하이며,
상기 술폰화된 불소계 고분자의 당량은 900 meq/g 이하인 것인 고분자 전해질막용 조성물:
[화학식 1]
Figure 112020013786854-pat00017

[화학식 2]
Figure 112020013786854-pat00018

상기 화학식 1 및 2에서,
R은 탄소수 2 내지 4인 플루오르화알킬렌기이며,
X는 1가의 양이온기이고,
m 및 n은 각각 독립적으로 1 내지 15의 정수이다.
Sulfonated hydrocarbon-based polymers; A sulfonated fluorine-based polymer comprising a repeating unit represented by Chemical Formula 1 and a repeating unit represented by Chemical Formula 2; And a solvent,
Based on the sum of the weight of the sulfonated hydrocarbon-based polymer and the sulfonated fluorine-based polymer, the content of the sulfonated fluorine-based polymer is 1% by weight or more and 10% by weight or less,
The sulfonated fluorine-based polymer has an equivalent of 900 meq / g or less for a polymer electrolyte membrane composition:
[Formula 1]
Figure 112020013786854-pat00017

[Formula 2]
Figure 112020013786854-pat00018

In Chemical Formulas 1 and 2,
R is an fluorinated alkylene group having 2 to 4 carbon atoms,
X is a monovalent cationic group,
m and n are each independently an integer of 1 to 15.
삭제delete 삭제delete 청구항 6에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위는 하기 화학식 3 내지 5 중 어느 하나로 표시되는 것인 고분자 전해질막용 조성물:
[화학식 3]
Figure 112016078668130-pat00019

[화학식 4]
Figure 112016078668130-pat00020

[화학식 5]
Figure 112016078668130-pat00021

상기 화학식 3 내지 5에서, X는 1가의 양이온기이고, m은 1 내지 15의 정수이다.
The method according to claim 6, wherein the repeating unit represented by Formula 2 is a composition for a polymer electrolyte membrane represented by any one of the following Formulas 3 to 5:
[Formula 3]
Figure 112016078668130-pat00019

[Formula 4]
Figure 112016078668130-pat00020

[Formula 5]
Figure 112016078668130-pat00021

In Chemical Formulas 3 to 5, X is a monovalent cation group, and m is an integer from 1 to 15.
애노드; 캐소드; 및 상기 애노드 및 캐소드 사이에 구비된 청구항 1, 4 및 5 중 어느 한 항의 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체.Anode; Cathode; And a polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1, 4 and 5 provided between the anode and the cathode. 청구항 10의 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지.A fuel cell comprising the membrane electrode assembly of claim 10. 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비된 청구항 1, 4 및 5 중 어느 한 항의 고분자 전해질막을 포함하는 전기화학 전지.An electrochemical cell comprising a first electrode, a second electrode, and a polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1, 4, and 5 provided between the first electrode and the second electrode. 청구항 12의 전기화학 전지를 단위전지로 포함하는 전지 모듈.A battery module comprising the electrochemical cell of claim 12 as a unit cell.
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