KR102496193B1

KR102496193B1 - 막 전극 어셈블리의 성능 향상층의 조성물

Info

Publication number: KR102496193B1
Application number: KR1020170178184A
Authority: KR
Inventors: 김원중; 박주안; 송유정; 김준태; 이주희
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2023-02-03
Also published as: KR20190076410A

Abstract

애노드, 상기 애노드 상에 제공되는 전해질막, 상기 전해질막 상에 제공되는 캐소드, 가스 확산층, 및 친수성 및 다공성을 갖는 성능 향상층을 포함하는 막 전극 어셈블리에 있어서, 상기 가스 확산층 및 상기 성능 향상층 각각은 상기 애노드의 하부 또는 상기 캐소드의 상부에 제공된다. 상기 성능 향상층의 조성물은 전도성 고분자 1 내지 80 중량%, 용매 10 내지 90 중량%, 전도도 향상제 5 내지 30 중량%, 및 결합력 향상제 0.1 내지 5 중량%을 포함한다. 상기 전도성 고분자는 폴리싸이오펜계, 폴리피롤계, 폴리아닐린계, 폴리아세틸렌계 및 폴리카르바졸계 공중합체 중 적어도 하나를 포함한다.

Description

막 전극 어셈블리의 성능 향상층의 조성물{COMPOSITE OF A PERFORMANCE ENHANCING LAYER OF MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY}

본 발명은 막 전극 어셈블리의 성능 향상층의 조성물에 관한 것이다.

운송 수단용 연료 전지는 낮은 습도에서 성능을 유지하기 어려워, 가습기와 동시에 사용하는 것이 필수적이다. 운송 수단용 연료 전지가 낮은 습도에서 성능을 유지할 수 있다면, 가습기가 차지하는 공간을 별도 기능을 위해 사용하기 위해 확보할 수 있어, 운송 수단의 다양한 활용에 효과적일 수 있다.

한국등록번호 제10-1550204호

본 발명의 목적은 성능 향상층을 포함하지 않는 막 전극 어셈블리보다 성능이 향상되고, 낮은 습도에서도 성능이 유지될 수 있도록 하는 성능 향상층의 조성물을 제공하는 것이다.

상기 성능 향상층은 상기 전해질막의 건조를 방지하고, 상기 전해질막에 수분을 제공하는 것일 수 있다.

상기 전도성 고분자는 폴리카르바졸계 그래프트(graft) 공중합체를 포함하는 것일 수 있다.

상기 폴리카르바졸계 그래프트 공중합체는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서, x는 0.05내지 0.1이고, m은 7 또는 8이고, n은 56 내지 84의 정수이다.

상기 전도성 고분자는 폴리에틸렌-3,4-디옥시싸이오펜-폴리스티렌설포네이트(PEDOT-PSS) 또는 PEDOT-PSSNa인 것일 수 있다.

상기 성능 향상층의 조성물은 폴리스티렌 비드를 더 포함하고, 상기 폴리스티렌 비드의 크기는 5 내지 5000 nm인 것일 수 있다.

상기 전도도 향상제는 에틸린글리콜(EG), N-메틸-2-피롤리돈 (NMP), 및 디메틸설폭사이드(DMSO) 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

상기 결합력 향상제는 폴리스티렌설포네이트 (PSS), 폴리(소디움-4-스티렌설포네이트) (PSSNa), 도데실벤젠설포네이트 (DBSA), 아세틸 아세톤, 메틸셀룰로오즈, 에틸셀룰로오즈, 2-하이드록시에틸 셀룰로오즈, 설폭시에틸셀룰로오즈, 하이드록시부틸 메틸 셀룰로오즈, 및 폴리비닐피롤리돈 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, n-프로필알코올, 이소프로필알코올, 노르말부탄올, 이소부탄올, 헥산올, 2-메톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 니트로메탄, 에틸아세테이트, 디메틸포름아마이드, 메틸에틸케톤, 2-피롤리돈, N-비닐-2-피롤리돈, 디메틸설폭사이드, n-부티로락톤, γ-부티로락톤, α-터피네올, 자일렌, 클로로포름, 톨루엔, 헥산, 씨클로 헥산, 및 아세톤 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

상기 가스 확산층은 상기 캐소드 상에 제공되고, 상기 성능 향상층은 상기 가스 확산층 상에 제공되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 막 전극 어셈블리의 성능 향상층의 조성물에 의해 형성된 막 전극 어셈블리는 성능 향상층을 포함하지 않는 막 전극 어셈블리보다 성능이 향상되고, 낮은 습도에서도 성능이 유지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 전극 어셈블리의 개략적인 단면도이다.
도 2는 PCz-g-PLA를 필름에 코팅했을 때의 표면 이미지이다.
도 3a는 비교예 1의 가스 확산층의 표면 사진이고, 도 3b는 실시예 1의 성능 향상층의 표면 사진이다.
도 4는 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 전류 밀도와 전압과의 관계를 나타낸 그래프이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 전극 어셈블리의 개략적인 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막 전극 어셈블리(10)는 운송 수단에 포함될 수 있다. 운송 수단은 물건, 사람 등의 운송을 위해 사용되는 수단을 의미하는 것일 수 있다. 운송 수단은 예를 들어 육상 운송 수단, 해상 운송 수단, 천상 운송 수단을 포함한다. 육상 운송 수단은 예를 들어, 승용차, 승합차, 트럭, 트레일러 트럭, 및 스포츠카 등을 포함하는 자동차, 자전거, 오토바이, 기차 등을 포함할 수 있다. 해상 운송 수단은 예를 들어, 배, 잠수함 등을 포함할 수 있다. 천상 운송 수단은 예를 들어 비행기, 헹글라이더, 열기구, 헬리콥터, 드론 등의 소형 비형체를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 막 전극 어셈블리(10)는 애노드(100), 전해질막(200), 캐소드(300), 가스 확산층(400) 및 성능 향상층(500)을 포함한다.

애노드(100)는 전해질막(200)과 접촉한다. 전해질막(200)은 애노드(100) 상에 제공된다. 전해질막(200)은 애노드(100) 및 캐소드(300) 각각과 접촉한다. 전해질막(200) 상에는 캐소드(300)가 제공된다. 캐소드(300)는 전해질막(200)과 접촉한다.

가스 확산층(400) 및 성능 향상층(500) 각각은 애노드(100)의 하부 또는 캐소드(300)의 상부에 제공된다. 이하에서는 가스 확산층(400) 및 성능 향상층(500) 각각이 캐소드(300)의 상부에 제공된 것을 예를 들어 설명한다. 예를 들어, 가스 확산층(400)은 캐소드(300) 상에 제공되고, 성능 향상층(500)은 가스 확산층(400) 상에 제공되는 것일 수 있다.

가스 확산층(400)은 캐소드(300) 상에 제공된다. 성능 향상층(500)은 가스 확산층(400) 상에 제공된다. 성능 향상층(500)은 친수성이다. 성능 향상층(500)은 다공성이다. 성능 향상층(500)은 전해질막(200)의 건조를 방지하고, 전해질막(200)에 수분을 제공하는 것일 수 있다. 성능 향상층(500)은 친수성을 가져 전해질막(200)의 건조를 방지할 수 있고, 마이크로포러스층 (MPL; Microporous Layer) 역할을 하여, 캐소드에서 생성된 과량의 물을 제거할 수 있다. 가스 확산층(400)은 성능 향상층(500) 상에 제공된다. 도시하지는 않았으나, 애노드(100)의 하부에는 가스 확산층이 제공될 수 있다. 캐소드(300) 상에는 성능 향상층(500)이 제공되지만, 애노드(100)의 하부에는 성능 향상층(400)이 제공되지 않을 수 있다.

막 전극 어셈블리(10)는 예를 들어, 전사 필름에 백금 촉매가 포함된 캐소드(300)와 애노드(100)를 각각 형성한 후 열과 압력을 가하여 고분자 전해질 막에 전사시키는 데칼법, 고분자 전해질 막에 스프레이, 바코터 등의 코팅장비로 직접 캐소드(300)와 애노드(100)를 형성시키는 방법, 가스 확산층(400) 표면에 캐소드(300)와 애노드(100)를 각각 형성한 후 고분자 전해질 막 양면에 접촉시키는 방법 등으로 제조될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성능 향상층(500)의 조성물은 전도성 고분자, 용매, 전도도 향상제, 및 결합력 향상제를 포함한다. 전도성 고분자는 성능 향상층(500)의 조성물을 기준으로, 1 내지 80 중량% 포함될 수 있다. 전도성 고분자가 1 중량% 미만이면, 전도성 고분자의 함량이 낮기에 전기전도도가 낮아질 수 있고, 80 중량% 초과이면, 성능 향상층(500) 형성 시 가스나 물의 흐름을 방해할 수 있다.

전도성 고분자는 자기 조립성을 갖는 것일 수 있다. 전도성 고분자는 예를 들어, 폴리싸이오펜계, 폴리피롤계, 폴리아닐린계, 폴리아세틸렌계 및 폴리카르바졸계 공중합체 중 적어도 하나를 포함한다. '~계' 화합물은 '~'를 포함하는 화합물을 의미하는 것일 수 있다. 전도성 고분자는 폴리카르바졸계 그래프트(graft) 공중합체를 포함하는 것일 수 있다. 폴리카르바졸계 그래프트 공중합체는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.

[화학식 1]

화학식 1에서, x는 0.05내지 0.1이고, m은 7 또는 8이고, n은 56 내지 84의 정수이다.

폴리카르바졸계 그래프트 공중합체는 예를 들어, 자기 조립성을 갖는 PCz-g-PLA [poly(carbazole)-graft-Poly(lacticacid)] 그래프트 공중합체일 수 있다. 화학식 1은 화학식 2의 폴리카르바졸 공중합체와 화학식 3의 폴리락트산 중합체가 클릭 반응 (click reaction)하여 형성된 것일 수 있다.

[화학식 2]

화학식 2에서, x는 0.05내지 0.1이고, m은 7 또는 8이다.

[화학식 3]

화학식 3에서, n은 56 내지 84의 정수이다.

전도성 고분자는 친수성을 갖는다. 전도성 고분자는 예를 들어, 폴리에틸렌-3,4-디옥시싸이오펜-폴리스티렌설포네이트(PEDOT-PSS), PEDOT-PSSNa 등일 수 있다.

전도성 고분자는 예를 들어 하기 방법으로 합성된 것일 수 있다. 먼저, 전도성 고분자를 합성하기 위한 모노머는 예를 들어, 아닐린, 필롤, 싸이오펜, 퓨란 등일 수 있다. 전도성 고분자 합성을 위해 모노머, 산화제, 도펀트, 용매 및 기타 첨가제를 일정 중량비 또는 몰비로 첨가하여 반응을 시키는 것이 일반적이다. 산화제는 예를 들어, 퍼옥시설폰산, 나트륨퍼설페이트, 포타슘퍼설페이트, 암모늄퍼설페이트, 철(III) 및 하이드로클로릭, 설포닐, 니트릭, 포스포릭 등의 철-무기산 솔트(Salt), 파라톨루엔설폰산, 벤젠설폰산, 메타톨루엔설폰산, 트리플로로메탄설폰산 등을 사용할 수 있다. 암모늄퍼셀페이트, 나트륨퍼설페이트, 포타슘퍼설페이트 등은 합성 후 미반응 물질 세척이 용이하다. 용매는 예를 들어, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로필알콜, 아세톤, 톨루엔, 자일렌, 클로로포름, 메틸렌클로라이드, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, N-메틸-2-피롤리디돈 등의 케톤계, 아마드계, 글리콜 계열의 용매를 사용할 수 있다. 도펀트는 친수성기를 갖는 도펀트를 사용하며, 예를 들어, 캠퍼설폰산 (CSA), 도데실설폰산 (DSA), 도데실 벤젠설폰산 (DBSA), 폴리스티렌폴리스티렌 설포네이트 (PSSA), 또는 폴리소디움 스티렌 설포네이트 (PSSNa) 등을 사용할 수 있다.

예를 들어, 전도성 고분자로 3,4-에틸렌디옥시싸이오펜(EDOT)을 사용할 때, 500 ml 둥근바닥 플라스크에 폴리스티렌설폰산 (PSSA) 25 중량부, 암모늄퍼설페이트 (APS) 5 중량부, EDOT 15 중량부 및 물 55 중량부를 순서대로 넣고, 25도의 온도에서 24시간 자석 교반함으로써 폴리스티렌설폰산으로 도핑된 폴리에틸렌디옥시티오펜을 중합하여 제조한다. 중합된 폴리에틸렌디옥시싸이오펜은 1미크론 크기의 필터를 이용하여 물로 필터링하여 잔류하는 개시제 이온을 제거하고, 25 내지 80℃의 진공오븐에서 24시간 건조하면 PEDOT-PSSA의 고형분을 수득할 수 있다. 수득한 고형분은 그대로, 또는 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜, 부탄올 단독 또는 이종 이상의 혼합물에 녹여 자석 교반 및 초음파 분산 등을 통해 PEDOT-PSS가 분산된 수용액으로 사용할 수 있다.

용매는 성능 향상층(500)의 조성물을 기준으로, 10 내지 90 중량% 포함될 수 있다. 용매가 10 중량% 미만이면 점도가 높아져 코팅층이 두꺼워지거나 불균일한 문제가 발생할 수 있고, 용매가 90 중량% 초과이면, 점도가 낮아짐에 따라 코팅층이 얇아져 성능 향상에 기여하지 못할 수 있다.

용매는 물, 메탄올, 에탄올, n-프로필알코올, 이소프로필알코올, 노르말부탄올, 이소부탄올, 헥산올, 2-메톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 니트로메탄, 에틸아세테이트, 디메틸포름아마이드, 메틸에틸케톤, 2-피롤리돈, N-비닐-2-피롤리돈, 디메틸설폭사이드, n-부티로락톤, γ-부티로락톤, α-터피네올, 자일렌, 클로로포름, 톨루엔, 헥산, 씨클로 헥산, 및 아세톤 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

전도성 향상제는 전도성 고분자의 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. 전도도 향상제는 성능 향상층(500)의 조성물을 기준으로, 5 내지 30 중량% 포함될 수 있다. 전도성 향상제가 5 중량% 미만이면 성능 향상 효과가 떨어질 수 있고, 전도성 향상제가 30 중량% 초과이면, 코팅 특성이 나빠지거나 코팅 후 건조 속도가 느려져 불리할 수 있다.

전도도 향상제는 에틸린글리콜(EG), N-메틸-2-피롤리돈 (NMP), 및 디메틸설폭사이드(DMSO) 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

결합력 향상제는 성능 향상층(500)과 캐소드(300) 또는 가스 확산층(400)과의 결합력을 향상시킬 수 있다. 또한, 결합력 향상제는 성능 향상층(500)의 분산성을 향상시킬 수 있다. 결합력 향상제는 코팅 기재와 코팅층의 결합력을 도와줄 수 있다. 결합력 향상제는 성능 향상층(500)의 조성물을 기준으로, 0.1 내지 5 중량%을 포함될 수있다. 결합력 향상제가 0.1 중량% 미만이면, 추가적인 분산성 및 결합력 증진 효과가 떨어지고, 5 중량% 초과이면, 전기 전도도가 낮아질 수 있다.

결합력 향상제는 폴리스티렌설포네이트 (PSS), 폴리(소디움-4-스티렌설포네이트) (PSSNa), 도데실벤젠설포네이트 (DBSA), 아세틸 아세톤, 메틸셀룰로오즈, 에틸셀룰로오즈, 2-하이드록시에틸 셀룰로오즈, 설폭시에틸셀룰로오즈, 하이드록시부틸 메틸 셀룰로오즈, 및 폴리비닐피롤리돈 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

성능 향상층(500)의 조성물은 폴리스티렌 비드를 더 포함할 수 있다. 폴리스티렌 비드를 사용하여, 성능 향상층(500)에 다공성을 부여할 수 있다. 폴리스티렌 비드의 크기는 5 내지 5000 nm인 것일 수 있다. 비드의 크기는 평균 입경을 의미하는 것일 수 있다. 비드의 크기가 5nm 미만이면 기공을 형성하기 어렵고, 5000nm 초과면 기공이 커서 성능 향상층(500)으로서의 역할을 기대하기 어렵다. 성능 향상층(500)에 복수의 기공들을 형성한 후에, 폴리스티렌 비드를 제거한다. 폴리스티렌 비드는 예를 들어, R.I.(Reactive Ion) 법으로 제거될 수 있다.

도 2는 PCz-g-PLA를 필름에 코팅했을 때의 표면 이미지이다.

도 2를 참조하면, 전도성 고분자로 PCz-g-PLA를 사용하면 PLA가 염기성 용액으로 제거 가능하므로 성능 향상층(500)에 기공을 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 막 전극 어셈블리의 성능 향상층의 조성물을 사용하여 형성된 성능 향상층은 친수성을 가져 전해질막의 건조를 방지할 수 있고, 마이크로포러스층 역할을 하여, 캐소드에서 생성된 과량의 물을 제거할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 막 전극 어셈블리의 성능 향상층의 조성물을 사용하여 형성된 막 전극 어셈블리는 성능 향상층을 포함하지 않는 막 전극 어셈블리보다 성능이 향상되고, 낮은 습도에서도 성능이 유지될 수 있다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

전도성 고분자인 PEDOT-PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate)) 3g에 물 1.5g과 이소프로필알콜을 2g의 혼합 용매를 넣고 에틸린글리콜 0.3g 및 NMP 0.3g을 각각 첨가한 후 상온에서 한 시간동안 자석 교반하여 성능 향상층을 위한 코팅 용액을 제조하였다. 제조한 코팅 용액은 PET(polyester) 필름 일면에 스프레이법으로 코팅하였다. 코팅 후 80℃ 오븐에서 12시간 건조하여 성능 향상층을 제조하였고 성능 향상층 위에 캐소드를 적층하였다. 캐소드는 TKK(다나카 귀금속 공업)의 46.5wt% Pt/C 촉매와 나피온(Nafion) 5wt% solution, 이소프로필 알코올을 이용해 PET 전사필름에 코팅하여 0.15mg_Pt/cm²를 로딩하였다. 코팅 후 건조는 80℃ 오븐에서 24시간 동안 건조하여 캐소드를 형성하였다. 애노드도 상기와 언급한 바와 동일한 잉크를 제조하여 PET 필름의 일면에 코팅하는 방식으로 제조하였다.

막 전극 어셈블리는 데칼법으로 제조하였다. 140℃ 핫프레스에 고분자 전해질 막을 올려두고 양면에 각각 캐소드, 애노드가 포함된 PET 필름을 두고 1 톤(ton)의 힘을 10분간 가한 후 PET 필름을 제거하여 막 전극 어셈블리를 제조하였다. 캐소드와 애노드면에 각각 순차적으로 가스 확산층, 가스켓, 엔드플레이트를 체결하여 셀 성능을 평가하였다. 연료전지 셀 운전 조건은 25cm² 크기, 65℃, RH 100%, 상압에서 H₂와 공기의 양론비는 1.5:2.0로 고정하였다.

실시예 2

실시예 1과 동일한 성능향상층 코팅액으로 캐소드와 맞닿는 가스확산층 일면에 성능향상층을 코팅하여 80℃ 오븐에서 12시간 건조하였다. 캐소드와 애노드도 PET 필름의 일면에 코팅하고 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하여 성능을 평가하였다.

실시예 3

실시예 1과 동일한 조성으로 성능향상층 코팅액을 제조하였는데 성능향상층 코팅액에 1000nm의 직경을 가지는 폴리스티렌 비드 0.2g을 추가하였다. 실시예 1과 같이 PET 필름에 코팅하여 층을 형성한 후 아르곤 플라즈마를 통해 R.I(Reactive Ion) 에칭으로 구형의 폴리스티렌 비드를 제거하고 캐소드층을 코팅하였고, 그 외 나머지는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

실시예 4

실시예 2에서 사용된 전도성 고분자인 PEDOT-PSS 대신에 PCz-g-PLA 그래프트 공중합체를 사용하여 성능향상층을 제조하였다. PET 필름 일면에 코팅 후 NaOH과 NH₄OH 혼합 염기성 용액에 담궈 PLA층을 제거하였고 그 외는 실시예 2와 동일한 방법으로 제조 및 평가를 진행하였다.

실시예 5

실시예 1과 동일하나 RH100% 아닌 RH70% 조건에서 성능 평가를 진행하였다.

비교예 1

성능 향상층을 생략한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

표면 사진 비교

도 3a는 비교예 1의 가스 확산층의 표면 사진이고, 도 3b는 실시예 1의 성능 향상층의 표면 사진이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 실시예 1의 성능 향상층은 비교예 1의 가스 확산층보다 많은 기공들을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

성능 측정

도 4는 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 전류 밀도와 전압과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 실시예 1 내지 5는 비교예 1과 비교할 때, 동일한 전류 밀도를 기준으로, 높은 전압을 가져, 효율이 높은 것을 확인할 수 있었다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10: 막 전극 어셈블리 100: 애노드
200: 전해질막 300: 캐소드
400: 가스 확산층 500: 성능 향상층

Claims

애노드, 상기 애노드 상에 제공되는 전해질막, 상기 전해질막 상에 제공되는 캐소드, 가스 확산층, 및 친수성 및 다공성을 갖는 성능 향상층을 포함하는 막 전극 어셈블리에 있어서,
상기 가스 확산층 및 상기 성능 향상층 각각은
상기 애노드의 하부 또는 상기 캐소드의 상부에 제공되고,
상기 성능 향상층의 조성물은
전도성 고분자 1 내지 80 중량%;
용매 10 내지 90 중량%;
전도도 향상제 5 내지 30 중량%; 및
결합력 향상제 0.1 내지 5 중량%;을 포함하고,
상기 전도성 고분자는 폴리카르바졸계 그래프트(graft) 공중합체를 포함하는 성능 향상층의 조성물.
제1항에 있어서,
상기 성능 향상층은
상기 전해질막의 건조를 방지하고, 상기 전해질막에 수분을 제공하는 것인 성능 향상층의 조성물.
삭제
제1항에 있어서,
상기 폴리카르바졸계 그래프트 공중합체는
하기 화학식 1로 표시되는 것인 성능 향상층의 조성물.
[화학식 1]

상기 화학식 1에서,
x는 0.05내지 0.1이고,
m은 7 또는 8이고,
n은 56 내지 84의 정수이다.
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제1항에 있어서,
상기 성능 향상층의 조성물은
폴리스티렌 비드를 더 포함하고,
상기 폴리스티렌 비드의 크기는
5 내지 5000 nm인 것인 성능 향상층의 조성물.
제1항에 있어서,
상기 전도도 향상제는
에틸린글리콜(EG), N-메틸-2-피롤리돈 (NMP), 및 디메틸설폭사이드(DMSO) 중 적어도 하나를 포함하는 것인 성능 향상층의 조성물.
제1항에 있어서,
상기 결합력 향상제는
폴리스티렌설포네이트 (PSS), 폴리(소디움-4-스티렌설포네이트) (PSSNa), 도데실벤젠설포네이트 (DBSA), 아세틸 아세톤, 메틸셀룰로오즈, 에틸셀룰로오즈, 2-하이드록시에틸 셀룰로오즈, 설폭시에틸셀룰로오즈, 하이드록시부틸 메틸 셀룰로오즈, 및 폴리비닐피롤리돈 중 적어도 하나를 포함하는 것인 성능 향상층의 조성물.
제1항에 있어서,
상기 용매는
물, 메탄올, 에탄올, n-프로필알코올, 이소프로필알코올, 노르말부탄올, 이소부탄올, 헥산올, 2-메톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 니트로메탄, 에틸아세테이트, 디메틸포름아마이드, 메틸에틸케톤, 2-피롤리돈, N-비닐-2-피롤리돈, 디메틸설폭사이드, n-부티로락톤, γ-부티로락톤, α-터피네올, 자일렌, 클로로포름, 톨루엔, 헥산, 씨클로 헥산, 및 아세톤 중 적어도 하나를 포함하는 것인 성능 향상층의 조성물.
제1항에 있어서,
상기 가스 확산층은 상기 캐소드 상에 제공되고,
상기 성능 향상층은 상기 가스 확산층 상에 제공되는 것인 성능 향상층의 조성물.