KR102097507B1 - 고분자 전해질 연료전지용 수소이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스 내장 전극 및 이를 포함하는 막-전극 접합체 - Google Patents

고분자 전해질 연료전지용 수소이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스 내장 전극 및 이를 포함하는 막-전극 접합체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스가 내장된 전극구조를 가지는 연료전지용 막-전극 접합체 구조, 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 전극 촉매층 내 수소 이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스를 도입하여 전극 내 거대 수소 이온 전달 경로를 형성한다. 이를 위하여, 고분자 전해질막 일면 또는 양면에 수소 이온 전도성 고분자 섬유를 적층하고, 이들을 고온 어닐링 과정을 통해 물리적으로 결착시킨 후, 접합체 양면에 산화 전극과 환원전극을 형성하여 수소 이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스가 내장된 막-전극 접합체 구조를 구현한다.
본 발명에 의해 제조된 막-전극 접합체는 전극 내 수소 이온 전달 속도를 크게 증가시켜 저가습 조건에서 단위 연료전지 셀의 성능을 향상시키는 특성을 보인다.

Description

고분자 전해질 연료전지용 수소이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스 내장 전극 및 이를 포함하는 막-전극 접합체 {Proton conducting polymer fiber embedded electrode and membrane-electrode assembly employing the same for polymer electrolyte membrane fuel cell}
본 발명은 고분자 전해질 연료전지의 성능 향상을 위한 수소이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스 내장 전극 제조 방법 및 이를 포함하는 막-전극 접합체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매층 내부에 수소이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스를 도입시켜 전극내 수소이온 전달 향상을 통한 향상된 연료전지 성능을 갖는 막-전극 접합체 제조에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소를 연료로 하여 이들의 화학적 에너지를 전기화학적 반응을 통해 전기에너지로 변환하는 발전장치로써, 높은 에너지 전환 효율과 무공해 배출가스 등의 장점으로 인해 크게 각광받는 친환경 에너지 생산 시스템이다. 그 중에서도 고분자 전해질 막 연료전지는 낮은 구동온도 및 높은 출력밀도로 인해 가정용 발전장치 및 자동차용 에너지 발전장치 등의 용도로 연구되고 있다.
실제 어플리케이션에서 고분자 전해질 막 연료전지는 막-전극 접합체와 집전체로 이루어진 단위 셀이 수십 내지 수백 장이 적층된 스택으로 이루어진다. 그 중 막-전극 접합체는 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막을 사이에 두고 양 면에 백금 촉매 층으로 이루어진 산화 전극과 환원 전극이 접합된 구조로써, 연료전지 성능에 가장 큰 기여를 하는 구성요소이다. 산화 전극에서는 수소의 산화 반응이 일어나 수소이온이 형성되고 환원 전극에서는 산소의 환원 반응 일어나 물을 생성하며 특정 전위차를 갖는 전류가 생성된다.
환원 전극에서의 산소 환원 반응이 일어나기 위해 산화 전극에서 생성된 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해 환원 전극으로 이동한다. 양 전극 사이의 수소이온 전달을 위해 막-전극 접합체의 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막 에는 흔히 나피온, 아퀴비온, 아시플렉스, 플레미온 등의 플루오르계 수소 이온 전도성 고분자가 사용된다. 막-전극 접합체를 이루는 전극은 카본 블랙 서포트에 나노 크기의 백금 입자가 담지 된 백금 촉매에 고분자 전해질 막 물질과 같은 플루오르계 수소 이온 전도성 고분자를 바인더로 사용하여 높은 기공도를 갖는 수백 나노미터 크기의 이차 입자의 집합으로 구성되어 있다.
막-전극 접합체의 높은 성능을 발현하기 위해서는 전극 내 기공을 통한 백금 표면으로의 원활한 기체연료의 전달, 그리고 산화 전극으로부터 환원 전극으로의 원활한 수소 이온 전달이 핵심 기술이다. 산화 전극과 전해질막의 계면부터 환원 전극과 전해질 막의 계면까지는 전해질 막을 통해 수소이온이 전달되며, 각각의 촉매 표면부터 전해질 막 계면까지는 전극 내 바인더로 사용되는 수소 이온 전도성 고분자를 통해 수소이온이 전달된다. 연료전지의 저가습 구동조건에서 전극 내 바인더를 통한 수소이온 전달이 크게 저하되면서 전극 내 낮은 수소이온 전달 능력이 연료전지의 성능 향상을 위해 해결되어야 할 문제점이다.
본 발명의 목적은 수소이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스를 고분자 전해질 막 연료전지의 막-전극 접합체에 도입하여 전극 내 수소이온 전달을 향상시킴으로써 저 가습 구동 조건에서 연료전지의 성능을 향상시키는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 고분자 전해질 막상에 수소 이온 전도성 고분자 섬유를 적층하는 단계; 상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유와 상기 고분자 전해질 막 사이의 물리적 결착을 형성하는 단계; 및 상기 수소 이온 전도성 고분자가 물리적으로 결착된 상기 고분자 전해질 막에 전극을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수소 이온 전도성 고분자 및 고분자 전해질 막은 불소화술폰산 계통의 나피온, 아퀴비온, 아시플렉스, 플레미온으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것이며, 상기 수소 이온 전도성 고분자는 전기방사 방식으로 상기 고분자 전해질 막 상에 적층된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 막-전극 접합체의 제조방법은, 상기 고분자 전해질 막상에 수소 이온 전도성 고분자 섬유를 적층하는 단계 이전, 상기 수소 이온 전도성 고분자와 전기방사 캐리어 고분자를 혼합하여 섬유 매트릭스 제조용 조성물 용액을 제조하는 단계를 더 포함하며, 상기 고분자 전해질 막상에 수소 이온 전도성 고분자 섬유를 적층하는 단계는, 상기 섬유 매트릭스 제조용 조성물 용액을 상기 고분자 전해질막 상에 전기 방사하는 방식으로 진행된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전기방사 캐리어 고분자는 폴리비닐알콜, 폴리아크릴엑시드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리카프롤락톤으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 섬유 매트릭스 제조용 조성물 용액 중 상기 수소 이온 전도성 고분자 함량은 20~50 중량%이고, 상기 전기방사 캐리어 함량은 수소 이온 전도성 고분자 대비 1~3 중량%이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유는 직경 3 마이크론 이하이며, 상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유의 함량은 고분자 전해질 막의 면적당 0.03 ~ 0.3 mg cm-1이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극을 도포하는 단계는, 열압착 또는 스프레이코팅 방식으로 진행한다.
본 발명은 고분자 전해질 막; 상기 고분자 전해질 막 상의 일면 또는 양면에 적층된 수소 이온 전도성 고분자; 및 상기 고분자 전해질 막의 양면의 일면 각각에 도포된 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하며, 상기 수소 이온 전도성 고분자는 상기 애노드 전극 내부에 삽입된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 막-전극 접합체는, 상술한 제조방법에 의해 제조되며, 상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유는 직경 3 마이크론 이하이며, 상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유의 함량은 고분자 전해질 막의 면적당 0.03 ~ 0.3 mg cm-1이다.
본 발명은 또한 상술한 막-전극 접합체를 포함하는 고분자 전해질 연료전지를 제공한다.
본 발명에 의하면 전극 촉매층 내 수소 이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스를 도입하여 전극 내 거대 수소 이온 전달 경로를 형성하여 전극과 막 간 계면에서부터 전극 내 촉매 표면까지의 수소 이온 전달 속도를 향상시킨다. 이로써, 막-전극 접합체 내 과전압을 감소시켜 저가습 조건에서의 연료전지 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예로써, 수소 이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스가 내장된 막-전극 접합체를 개략적으로 나타낸 단면도다.
도 2a 및 2b는 각각 본 발명의 실시예와 비교예에 의해 제조된 막-전극 접합체의 전극과 막 접합부를 전자 주사 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에 의해 제조된 막-전극 접합체의 성능을 비교한 그래프이다.
도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 실시예와 비교예에 의해 제조된 막-전극 접합체의 임피던스를 비교한 그래프와 측정된 수소 이온 전달 저항 값을 비교한 그래프이다.
본 발명은 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 내 거대 수소 이온 전달 채널을 형성함으로써 저가습 구동 조건의 성능을 향상시키기 위해 수소 이온 전도성 고분자 섬유 내장 촉매층 구조를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 막-전극 접합체는 고분자 전해질 막(100); 상기 고분자 전해질 막(100) 상의 일면 또는 양면에 적층된 수소 이온 전도성 고분자(210); 및 상기 고분자 전해질 막(210)의 양면의 일면 각각에 도포된 산화 전극(300), 환원 전극(200)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 수소 이온 전도성 고분자(210)는 전극 물질 내부로 함침되며, 이로써 저가습 구동 조건의 성능을 향상시킬 수 있다.
이를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체 제조방법은, 고분자 전해질(100) 막상에 수소 이온 전도성 고분자 섬유(210)를 적층하는 단계; 상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유(210)와 상기 고분자 전해질 막(100) 사이의 물리적 결착을 형성하는 단계; 및 상기 수소 이온 전도성 고분자(200)가 물리적으로 결착된 상기 고분자 전해질 막(100) 상에 전극을 도포하는 단계를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 고분자 전해질 막(100)의 일면에는 산화 전극(300), 타면에는 환원 전극(200)이 도포되는데, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 본 발명은 특이 수소 이온 전도성 고분자 섬유(210)의 적층은 전기방사 방식으로 진행하는데, 이를 위하여 별도의 전기방사 캐리어 고분자가 수소 이온 전도성 고분자 섬유와 혼합되어 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예는 고분자 전해질 막 일면에 수소 이온 전도성 고분자 섬유가 적층되어 환원 전극 내 수소이온 전도성 고분자 매트릭스가 내장된 구조를 개시하나, 하기 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리 범위가 이들 실시예에 한정 되어지는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예는 환원 전극(200)내에 수소 이온 전도성 고분자 섬유(210)가 삽입된 구조의 막-전극 조립체를 개시한다. '
상술한 제조 방법을 통해 전체 막-전극 접합체는 산화 전극(300)과 고분자 전해질 막(100), 수소 이온 전도성 고분자 섬유(210), 환원 전극(200)이 일체화된 구조가 되며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유(210)는 고분자 전해질 막(100)과 물리적으로 결착되어 산화 전극(300)에서 도달한 수소 이온을 환원 전극(200)의 백금 표면까지 도달하도록 거대 수소이온 전달 채널을 형성하여 막-전극 접합체 내 수소이온전달을 향상시킨다.
이하 본 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법을 자세하게 살펴보도록 한다.
먼저 고분자 전해질 막(100) 일면에 전기방사법을 이용하여 수소 이온 전도성 고분자 섬유(210)를 적층시킨다.
본 발명의 일 실시예에서는 수소 이온 전도성 고분자를 전기방사하여 섬유형태로 제조하기 위해, 수소 이온 전도성 고분자에 전기방사 캐리어 고분자를 첨가하여 섬유 매트릭스 제조용 조성물 용액을 제조하고, 이를 전기방사하여 수소 이온 전도성 고분자를 고분자 전해질 막(100)에 적층한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 전기방사 캐리어 고분자의 양은 수소 이온 전도성 고분자 대비 1 내지 3 중량% 이하이고, 상기 섬유 매트릭스 제조용 조성물 용액 중 상기 수소 이온 전도성 고분자 함량은 20~50 중량%이 바람직하다.
수소 이온 전도성 고분자의 함량이 해당 수치 범위 미만일 경우 용매 내 고분자가 스프레이 형태로 분사되어 섬유 형태의 고분자를 전기 방사 할 수 없으며, 해당 수치를 초과할 경우 높은 점도에 의해 전기적 반발력이 고분자 사이의 인력을 이기지 못해 고분자를 전기 방사 할 수 없다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 섬유 매트릭스 제조용 조성물의 용매는 에탄올, 이소프로필알코올 등의 알코올 계열 용매, 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드 등의 비양성자성 유기용매, 증류수 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수소 이온 전도성 고분자 섬유의 직경은 3 마이크론 이하이고, 상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유의 적층량은 고분자 전해질 막의 면적당 0.03 ~ 0.3 mg cm-1인 것이 바람직하다.
수소 이온 전도성 고분자 섬유의 직경이나 면적당 적층 해당 수치를 초과할 경우 도포하는 촉매층의 두께를 초과하여 불균일한 표면의 촉매층이 형성되어 일반적인 촉매층과 다른 표면 구조를 형성하게 된다.
하지만 이는 본 발명의 바람직한 실시를 위해 가능한 범위를 예시한 것일 뿐 반드시 상기 범위로 한정을 요하는 것은 아니다. 적층된 수소 이온 전도성 고분자 섬유 위 도포되는 촉매층의 양에 따라 수소 이온 전도성 고분자 섬유의 요구되는 직경과 면적당 적층량은 달라 질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 수소 이온 전도성 고분자 및 고분자 전해질 막은 동일 또는 이종일 수 있으며, 바람직하게는 불소화술폰산 계통의 나피온, 아퀴비온, 아시플렉스, 플레미온으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 전기방사 캐리어 고분자는 폴리비닐알콜, 폴리아크릴엑시드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리카프롤락톤 등의 통상적으로 사용되는 전기방사 캐리어 고분자로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것이다. 또한, 전기방사 캐리어 고분자의 종류에 따라 섬유 매트릭스 제조용 조성물 용액에 들어가는 고분자의 양은 고분자의 용액 내 점도 특성에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 수소 이온 전도성 고분자의 전기방사 이후 고온 어닐링 과정을 통해 용매를 증발시키고, 고분자 전해질 막(100)과 수소 이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스(210)를 물리적으로 결착시킨다. 어닐링 과정을 통해 고분자 전해질 막과 수소 이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스 간의 계면 뿐 아니라 고분자 섬유 매트릭스 간의 계면 또한 결합되어 3차원적으로 연결된 수소 이온 전도성 섬유 매트릭스와 고분자 전해질막 접합체가 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서 어닐링 과정의 조건은 수소이온 전도성 고분자의 유리 전이 온도 범위인 130 ~ 150 ℃에서 1 ~ 4 시간이 바람직하다. 이보다 높은 온도 조건에서는 고분자의 손상이 일어나며 낮은 온도조건에서는 고분자 섬유의 접합이 일어나지 않는다. 또한, 해당 수치보다 짧은 시간 조건의 경우 고분자 섬유의 접합이 일어나지 않으며 긴 시간 조건의 경우 고분자 섬유 적층 구조가 무너지게 된다.
본 발명의 일 실시예의 어닐링과정에서 전기방사 캐리어 고분자는 섬유 매트릭스 내에 잔류하게 되며, 물에 대한 용해도가 있는 고분자의 경우 단위 전지 구동 중 생성된 물에 의해 제거된다. 물에 대한 용해도가 없는 고분자의 경우 해당 고분자의 함량을 낮추어 수소이온 전도도 손실을 최소화 하여야 한다.
이후 수소 이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스가 접합된 고분자 전해질막 양면에 산화전극과 환원전극을 스프레이 코팅법을 사용하여 도포한다.
상기 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 페인팅법 등으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 스프레이 코팅법 및 닥터 블레이드를 이용한 코팅법을 사용할 수 있다.
본 발명에서 고분자 전해질 막 양면에 전극을 접합시키는 제조 방법으로 고분자 전해질 막에 직접적으로 도포시키는 방법 외에도 독립적인 전극층을 제조 한뒤 열압착을 통해 막-전극 접합체를 형성 할 수 있다. 또한, 이러한 모든 전극 접착 공정은 공정 용이성 및 전해질 막의 성질에 따라 상기 실시예의 막-전극 접합체 제조 단계중 수소 이온 전도성 섬유 적층 전, 후에 위치할 수 있다.
본 발명의 보다 확실한 이해를 돕기 위해 상기 제조 단계를, 보다 구체화된 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다.
[실시예 1]
수소 이온 전도성 고분자 전기방사용 조성물을 만들기 위해 25 중량%의 수소 이온 전도성 고분자와 0.25 중량%의 전기방사 캐리어 고분자 용액을 제조한다. 고분자 전해질 막에 상기 용액을 전기방사하여 1.2 마이크론 두께의 수소 이온 전도성 고분자 섬유를 적층하였다. 이때, 고분자 섬유의 적층량은 0.06mg/cm2이었다. 적층된 수소 이온 전도성 고분자 섬유와 고분자 전해질막을 130oC에서 어닐링하여 수소 이온 전도성 고분자 매트릭스와 고분자 전해질 막 접합체를 형성하였다. 막-수소 이온 전도성 고분자 매트릭스 접합체 양면에 스프레이코팅법을 통해 0.10mg cm-2 백금 촉매 함량의 산화 전극 및 0.15mg cm-2 백금 촉매 함량의 환원전극을 도포하였다. 이렇게 만들어진 수소 이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스가 내장된 막-전극 접합체의 단면을 도 2a에 나타내었다.
[비교예 1]
수소 이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스 내장 전극 구조의 효과를 관찰하기 위해 비교예로 고분자 섬유가 적층되지 않은 고분자 전해질 막 양면에 스프레이코팅법을 통해 0.10mg cm-2 백금 촉매 함량의 산화 전극 및 0.15mg cm-2 백금 촉매 함량의 환원전극을 도포하였다. 이렇게 만들어진 막-전극 접학체의 단면을 도 2b에 나타내었다.
실시예 1과 비교예 1을 통해 만든 막-전극 접합체가 사용된 단위 셀의 성능을 비교하기 위해 전류-전압 곡선과 임피던스 분석을 기록하였다. 이 때 단위 셀의 전류-전압 곡선을 기록하기 위한 셀 구동 조건은 80℃에서 상대습도 50%, 80kPaG 가압 조건이며, 연료 공급량은 각 전류 밀도당 소요되는 연료양 대비 수소는 1.5배 산소는 2.0배로 공급해 주었다. 임피던스 분석은 80℃, 상대습도 50%에서 애노드와 캐소드에 각각 수소 500 cc min-1, 질소 1500 cc min-1으로 공급하며 열린회로전압상태에서 기록되었다. 실시예와 비교예로 만들어진 막-전극 접합체가 도입된 셀들의 전류-전압 곡선은 도 3에 비교되었으며, 임피던스 그래프와 이로부터 계산된 수소 이온 전달 저항은 각각 도 4a 및 도 4b에 나타내었다.
본 발명에 의하면 도 4a와 도 4b의 결과로 알 수 있듯이 수소 이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스가 내장된 구조의 막-전극 접합체의 경우 전 전류밀도 영역대에서 높은 셀 전압 값을 보여 향상된 성능을 나타내는 것을 확인 할 수 있다. 0.6V의 셀 전압에서 생산되는 전류밀도 값을 비교한 결과, 고분자 섬유 매트릭스가 도입되지 않은 막 전극 접합체가 0.83 A cm-2 인 반면, 고분자 섬유 매트릭스가 도입된 막-전극 접합체가 1.16 A cm-2로 33% 향상된 성능을 보였다.
이러한 성능 향상의 기원은 임피던스 분석을 통해 확인할 수 있다. 임피던스 그래프에서 x축 절편은 수소 이온 전달에 의한 저항을 의미하며 이는 전해질 막의 저항(Rohm)을 나타낸다. 전극 내 수소 이온 전달 저항(Rcl)은 도 5a와 같이 임피던스 그래프의 외삽 직선이 x축을 지나는 저항 값과 임피던스 그래프의 x축 절편 사이의 차이의 3배 값으로 구할 수 있다.
본 발명의 도 4a의 그래프를 이용하여 전해질 막과 전극내의 수소 이온 전달 저항을 계산한 값을 도 4b에 나타내었다. 도 5b에 따르면 수소 이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스가 도입된 막-전극 접합체의 경우 고분자 섬유 매트릭스가 도입되지 않은 막-전극 접합체 대비 39 % 낮은 전극내 수소 이온 전달 저항(Rcl) 값을 보였다. 또한, 두 가지 막-전극 접합체의 전해질 막을 통한 수소 이온 전달 저항(Rohm)이 차이가 없음을 통해 고분자 섬유 매트릭스가 전해질 막의 수소 이온 전달 저항에는 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
상기 결과에서 알 수 있듯이, 수소 이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스가 도입된 막-전극 접합체의 경우 고분자 섬유 매트릭스가 도입되지 않은 막-전극 접합체에 비해 높은 전극 내 수소 이온 전달 속도에 의해 저가습 구동 조건에서 향상된 연료전지 단위 셀 성능을 보임을 알 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.
100: 고분자 전해질 막
200: 환원 전극
210: 수소 이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스
300: 산화 전극

Claims (14)

  1. 고분자 전해질 막상에 전기방사 방식으로 수소 이온 전도성 고분자 섬유를 적층하는 단계;
    상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유를 적층한 고분자 전해질 막을 평균 온도 130 내지 150 ℃, 1 내지 4시간 동안 어닐링 과정을 통하여, 상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유와 상기 고분자 전해질 막 사이의 물리적 결착을 형성하는 단계; 및
    상기 수소 이온 전도성 고분자가 물리적으로 결착된 상기 고분자 전해질 막 에 전극을 도포하는 단계를 포함하며,
    상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유는 직경 3 마이크론 이하이고, 상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유의 함량은 고분자 전해질 막의 면적당 0.03 ~ 0.3 mg cm-1인 것을 특징으로 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 이온 전도성 고분자 및 고분자 전해질 막은 불소화술폰산 계통의 나피온, 아퀴비온, 아시플렉스, 플레미온으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 막-전극 접합체의 제조방법은,
    상기 고분자 전해질 막상에 수소 이온 전도성 고분자 섬유를 적층하는 단계 이전,
    상기 수소 이온 전도성 고분자와 전기방사 캐리어 고분자를 혼합하여 섬유 매트릭스 제조용 조성물 용액을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 막상에 수소 이온 전도성 고분자 섬유를 적층하는 단계는,
    상기 섬유 매트릭스 제조용 조성물 용액을 상기 고분자 전해질막 상에 전기 방사하는 방식으로 진행되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 전기방사 캐리어 고분자는 폴리비닐알콜, 폴리아크릴엑시드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리카프롤락톤으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 섬유 매트릭스 제조용 조성물 용액 중 상기 수소 이온 전도성 고분자 함량은 20~50 중량%이고, 상기 전기방사 캐리어 함량은 수소 이온 전도성 고분자 대비 1~3 중량%인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 전극을 도포하는 단계는, 열압착 또는 스프레이코팅 방식으로 진행하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체 제조 방법.
  11. 고분자 전해질 막;
    상기 고분자 전해질 막 상의 일면 또는 양면에 적층된 수소 이온 전도성 고분자; 및
    상기 고분자 전해질 막의 양면의 일면 각각에 도포된 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하며,
    상기 수소 이온 전도성 고분자는 상기 애노드 전극 내부에 삽입된 것을 특징으로 하며,
    상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유는 직경 3 마이크론 이하이며, 상기 수소 이온 전도성 고분자 섬유의 함량은 고분자 전해질 막의 면적당 0.03 ~ 0.3 mg cm-1인 것을 특징으로 하는 제 1항, 제 2항, 제 4항 내지 제 7항 및 제 10항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 11항에 따른 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체를 포함하는 고분자 전해질 연료전지.
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