KR102599935B1 - Ion exchange membrane for fuel cell with layer by layer, method of manufacturing ion exchange membrane for fuel cell and fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 이온교환막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지를 개시한다. 본 발명의 연료전지용 이온교환막은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 제1 화합물로 형성된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 고분자 전해질막은 일 면에 세륨 나노입자가 분산된 제1 표면층 및 상기 제1 표면층 반대면에 세륨 나노입자가 분산된 제2 표면층을 포함하여 층상 구조(Layer-by-Layer)를 이루는 것을 특징으로 하여, 전자 흐름을 차단하고 산화 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.The present invention discloses an ion exchange membrane for fuel cells, a method for manufacturing the same, and a fuel cell including the same. The ion exchange membrane for a fuel cell of the present invention includes a polymer electrolyte membrane formed of a first compound having the structure of the following formula (1), wherein the polymer electrolyte membrane has a first surface layer in which cerium nanoparticles are dispersed on one side and a first surface layer on the opposite side of the first surface layer. It is characterized by forming a layer-by-layer structure including a second surface layer in which cerium nanoparticles are dispersed, and has the advantage of blocking electron flow and ensuring oxidation stability.

Description

층상 구조를 갖는 연료전지용 이온교환막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지{ION EXCHANGE MEMBRANE FOR FUEL CELL WITH LAYER BY LAYER, METHOD OF MANUFACTURING ION EXCHANGE MEMBRANE FOR FUEL CELL AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}Ion exchange membrane for fuel cells having a layered structure, manufacturing method thereof, and fuel cell comprising the same

본 발명은 술폰화된 폴리 아릴렌 에테르 술폰(PAES) 전해질막의 양면에 세륨 나노입자가 분산되어 층상 구조(layer-by-layer)를 이루는 연료전지용 이온교환막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to an ion exchange membrane for fuel cells that forms a layer-by-layer structure by dispersing cerium nanoparticles on both sides of a sulfonated polyarylene ether sulfone (PAES) electrolyte membrane, a method of manufacturing the same, and a fuel cell containing the same. It's about.

양이온 교환막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 에 사용되는 고분자 전해질막은 연료 전지의 주요 구동원인 양이온이 이동하는 통로 역할을 하며, 이 전해질막의 성능과 내구성은 연료 전지의 효율에 많은 영향을 끼치게 된다.The polymer electrolyte membrane used in a cation exchange membrane fuel cell (PEMFC) serves as a passage through which cations, the main driving force of the fuel cell, move, and the performance and durability of this electrolyte membrane have a significant impact on the efficiency of the fuel cell. do.

현재 상용화된 나피온(Nafion) 구조의 전해질막은 높은 이온 전도성을 보이지만 단가가 높고 연료 전지 구동 중에 생성되는 H·, HO· 또는 HOO· 라디칼 이온에 의해 분해되어 화학적 내구성이 떨어진다는 단점이 존재한다.Currently commercialized electrolyte membranes with the Nafion structure exhibit high ionic conductivity, but have the disadvantage of being expensive and having poor chemical durability as they are decomposed by H·, HO·, or HOO· radical ions generated during fuel cell operation.

이러한 문제를 해결하기 위해 세륨 나노입자를 고분자 전해질막에 도입하는 시도가 있었으나, 전자가 세륨 원자를 통해 전해질막 사이를 이동하여 막의 성능 저하를 일으킨다는 단점이 존재한다.To solve this problem, attempts have been made to introduce cerium nanoparticles into polymer electrolyte membranes, but the disadvantage is that electrons move between electrolyte membranes through cerium atoms, causing a decrease in membrane performance.

본 발명의 일 목적은 세륨 나노입자를 통해 전자가 전해질막 내부로 이동하여 막의 성능을 저하시키는 단점을 해결하기 위해, 표면층에만 세륨 나노입자가 분산된 층상 구조(layer-by-layer)를 갖는 연료전지용 이온교환막 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.One purpose of the present invention is to solve the disadvantage of deteriorating the performance of the membrane due to electrons moving into the electrolyte membrane through cerium nanoparticles, and to create a fuel having a layer-by-layer structure in which cerium nanoparticles are dispersed only in the surface layer. The object is to provide an ion exchange membrane for a battery and a fuel cell including the same.

본 발명의 다른 목적은 표면층에만 세륨 나노입자가 분산된 층상 구조(layer-by-layer)를 갖는 연료전지용 이온교환막의 제조방법 및 이의 제조 방법을 통해 제조된 연료전지용 이온교환막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing an ion exchange membrane for a fuel cell having a layer-by-layer structure in which cerium nanoparticles are dispersed only in the surface layer, and an ion exchange membrane for a fuel cell manufactured through the method.

본 발명의 일 목적을 위한 연료전지용 이온교환막은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 제1 화합물로 형성된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 고분자 전해질막은 일 면에 세륨 나노입자가 분산된 제1 표면층 및 상기 제1 표면층 반대면에 세륨 나노입자가 분산된 제2 표면층을 포함하여 층상 구조를 이루는 것을 특징으로 한다:An ion exchange membrane for a fuel cell for the purpose of the present invention includes a polymer electrolyte membrane formed of a first compound having the structure of the following formula (1), wherein the polymer electrolyte membrane includes a first surface layer with cerium nanoparticles dispersed on one side and the first surface layer with cerium nanoparticles dispersed on one side. It is characterized in that it forms a layered structure including a second surface layer in which cerium nanoparticles are dispersed on the opposite side of the surface layer:

<화학식 1><Formula 1>

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 표면층의 두께는 각각 1 내지 10 ㎛일 수 있다.In one embodiment, the first and second surface layers may each have a thickness of 1 to 10 ㎛.

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 표면층은 각각 세륨 나노입자가 상기 연료전지용 이온교환막의 표면층 대비 2 내지 4 wt%으로 분산된 것일 수 있다. 구체적으로는, 상기 연료전지용 이온교환막 제1 및 제2 표면층에 포함된 고분자 대비 2 내지 4 wt%로 분산된 것일 수 있다.In one embodiment, the first and second surface layers may each have 2 to 4 wt% of cerium nanoparticles dispersed relative to the surface layer of the ion exchange membrane for a fuel cell. Specifically, it may be dispersed at 2 to 4 wt% based on the polymer contained in the first and second surface layers of the ion exchange membrane for fuel cells.

일 실시예에서, 상기 세륨 나노입자는 산화세륨(CeO2) 나노입자일 수 있다.In one embodiment, the cerium nanoparticles may be cerium oxide (CeO 2 ) nanoparticles.

일 실시예에서, 상기 연료전지용 이온교환막의 두께는 80 내지 100㎛일 수 있다.In one embodiment, the thickness of the ion exchange membrane for a fuel cell may be 80 to 100 μm.

본 발명의 일 목적을 위한 연료전지는 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 배치된, 상기 본원발명의 연료전지용 이온교환막을 포함한다.A fuel cell for one purpose of the present invention includes an anode, a cathode, and an ion exchange membrane for a fuel cell of the present invention disposed between the anode and the cathode.

본 발명의 다른 목적을 위한 연료전지용 이온교환막의 제조방법은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 제1 화합물을 제조하는 제1 단계 및 상기 제1 화합물로 형성된 박막에 세륨 나노입자를 고분자 용액에 분산시킨 혼합용액을 도포하는 제2 단계를 포함하고, 상기 제2 단계는 상기 제1 화합물로 형성된 박막의 양 면에 혼합 용액을 도포하여 층상 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing an ion exchange membrane for a fuel cell for another purpose of the present invention includes a first step of preparing a first compound having the structure of the following formula (1) and mixing cerium nanoparticles dispersed in a polymer solution in a thin film formed from the first compound. It includes a second step of applying a solution, and the second step is characterized in that a mixed solution is applied to both sides of the thin film formed of the first compound to form a layered structure.

일 실시예에서, 상기 제1 단계는, 벤젠 고리를 포함하는 폴리(아릴렌에테르술폰)의 벤젠 고리에 알킬기를 포함하는 술폰산기를 그래프팅(grafting)하여 수행하는 것일 수 있다. 상기 알킬기는 프로판기(propane group)일 수 있다.In one embodiment, the first step may be performed by grafting a sulfonic acid group containing an alkyl group to a benzene ring of poly(arylene ethersulfone) containing a benzene ring. The alkyl group may be a propane group.

일 실시예에서, 상기 그래프팅(grafting)은 소듐 3-머캅토-프로판설포네이트(sodium 3-mercapto-1-propanesulfonate)를 이용하여 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment, the grafting may be performed using sodium 3-mercapto-1-propanesulfonate.

일 실시예에서, 상기 제2 단계는, 스프레이 방법을 통해 도포되는 것일 수 있다.In one embodiment, the second step may be applied through a spray method.

일 실시예에서, 상기 고분자 용액은 SPI(Sulfonated polyimide), SPEEK(Sulfonated poly(ether ether ketone)), SPAEK(Sulfonated poly(arylene ether ketone)) 및 SPAES(Sulfonated poly(arylene ether sulfone))으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.In one embodiment, the polymer solution is a group consisting of SPI (Sulfonated polyimide), SPEEK (Sulfonated poly(ether ether ketone)), SPAEK (Sulfonated poly(arylene ether ketone)), and SPAES (Sulfonated poly(arylene ether sulfone)) It may be any one selected from.

본 발명의 다른 목적을 위한 연료전지용 이온교환막은 본 발명의 연료전지용 이온교환막의 제조방법을 통해 제조된 것으로, 하기 화학식 1의 구조를 갖는 제1 화합물로 형성된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 고분자 전해질막은 일 면에 세륨 나노입자가 분산된 제1 표면층 및 상기 제1 표면층 반대면에 세륨 나노입자가 분산된 제2 표면층을 포함한다.An ion exchange membrane for a fuel cell for another purpose of the present invention is manufactured through the method for manufacturing an ion exchange membrane for a fuel cell of the present invention, and includes a polymer electrolyte membrane formed of a first compound having the structure of the following formula (1), wherein the polymer electrolyte membrane It includes a first surface layer in which cerium nanoparticles are dispersed on one side and a second surface layer in which cerium nanoparticles are dispersed in an opposite side of the first surface layer.

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 표면층의 두께는 각각 1 내지 10 ㎛일 수 있다.In one embodiment, the first and second surface layers may each have a thickness of 1 to 10 ㎛.

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 표면층은 각각 세륨 나노입자가 상기 연료전지용 이온교환막 전체 대비 2 내지 4 wt%으로 분산된 것일 수 있다.In one embodiment, the first and second surface layers may each have cerium nanoparticles dispersed in an amount of 2 to 4 wt% based on the total weight of the ion exchange membrane for a fuel cell.

일 실시예에서, 상기 세륨 나노입자는 산화세륨(CeO2) 나노입자일 수 있다.In one embodiment, the cerium nanoparticles may be cerium oxide (CeO 2 ) nanoparticles.

일 실시예에서, 상기 연료전지용 이온교환막의 두께는 80 내지 100㎛일 수 있다.In one embodiment, the thickness of the ion exchange membrane for a fuel cell may be 80 to 100 μm.

본 발명에 따르면, 알킬기를 포함하는 술폰산기를 그래프팅하여 라디컬 이온이 주쇄로 접근하는 것을 방지하여 전해질막의 주쇄가 라디컬에 의해 열화되는 것을 1차로 방지할 수 있으며, 전해질막의 양면에 세륨 나노입자가 분산된 층상 구조의 층을 통해 전자가 막을 가로지르는 것을 방지하고 산화 안정성을 확보함으로써, 이온교환막을 포함하는 셀의 성능은 유지하면서도 화학적 열화를 2차로 방지할 수 있는 효과가 있는 장점이 있다. According to the present invention, it is possible to primarily prevent the main chain of the electrolyte membrane from being deteriorated by radicals by grafting a sulfonic acid group containing an alkyl group to prevent radical ions from approaching the main chain, and cerium nanoparticles are placed on both sides of the electrolyte membrane. By preventing electrons from crossing the membrane and ensuring oxidation stability through the dispersed layered structure, there is an advantage in preventing secondary chemical deterioration while maintaining the performance of the cell including the ion exchange membrane.

또한, 층상 구조를 포함함으로써 세륨 나노입자가 전체적으로 분산된 복합체 대비 전도체인 세륨 나노 입자와 전자가 함께 이동해 막의 성능이 저하되는 것을 막을 수 있다는 장점이 있다.In addition, the inclusion of a layered structure has the advantage of preventing the performance of the film from deteriorating due to the movement of electrons and cerium nanoparticles, which are conductors, compared to a composite in which cerium nanoparticles are dispersed throughout.

도 1은 층상 구조를 갖는 연료전지용 이온교환막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 층상 구조의 연료전지용 이온교환막의 단면 SEM 및 EDS 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 2에 따라 제조된 연료전지용 이온교환막의 구조 및 성분을 분석하기 위한, FE-SEM 이미지 및 성분 분석 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 층상 구조의 연료전지용 이온교환막들의 양이온 전도도를 비교하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 층상 구조의 연료전지용 이온교환막의 세륨 나노입자의 농도에 따른 계면 옴 저항을 나타낸 나이퀴스트 플랏(Nyquist plot) 이다.
도 6은 발명의 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 층상 구조의 연료전지용 이온교환막의 술폰산기 비율에 따른 함수율과 팽윤율 및 세륨 나노입자의 농도에 따른 함수율과 팽윤율을 각각 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 층상 구조의 연료전지용 이온교환막의 화학적 안정성 평가를 위해 시간 변화에 따른 펜톤(Fenton) 테스트 이후 중량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 층상 구조의 연료전지용 이온교환막의 전압 손실률 평가를 위해, 90℃, 30% 상대습도에서의 전해질막 개회로전압을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 연료전지용 이온교환막의 단일 셀에 적용했을 때의 성능을 분석하기 위해, 측정된 단일 셀의 전압과 전력 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 연료전지용 이온교환막을 포함하는 셀의 안정성을 측정하기 위해 100시간동안 개회로전압 테스트를 진행한 이온 교환막의 전압과 전력밀도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 층상 구조의 연료전지용 이온교환막의 효과를 알아보기 위해, 층상 구조를 갖지 않고 산화 세륨 나노입자를 이온 교환막 내부에 단지 포함하는 복합 전해질막(composite)을 비교예로 하여 각각의 연료전지용 이온교환막을 포함하는 셀의 전압과 전력 밀도를 나타낸 그래프이다.
1 is a diagram for explaining an ion exchange membrane for a fuel cell having a layered structure, a manufacturing method thereof, and a fuel cell including the same.
Figure 2 is a cross-sectional SEM and EDS image of an ion exchange membrane for a fuel cell with a layered structure manufactured according to Example 2 of the present invention.
Figure 3 is a FE-SEM image and component analysis diagram for analyzing the structure and components of ion exchange membranes for fuel cells manufactured according to Examples 1 and 2 of the present invention.
Figure 4 is a graph for comparing the cation conductivity of ion exchange membranes for fuel cells with a layered structure manufactured according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
Figure 5 is a Nyquist plot showing the interfacial ohmic resistance according to the concentration of cerium nanoparticles of an ion exchange membrane for a layered fuel cell manufactured according to examples and comparative examples of the present invention.
Figure 6 is a diagram showing the water content and swelling rate according to the ratio of sulfonic acid groups and the water content and swelling rate according to the concentration of cerium nanoparticles of the ion exchange membrane for a fuel cell with a layered structure manufactured according to examples and comparative examples of the invention, respectively. .
Figure 7 is a graph showing the weight change after the Fenton test over time to evaluate the chemical stability of the ion exchange membrane for a layered fuel cell manufactured according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
Figure 8 is a graph showing the open circuit voltage of the electrolyte membrane at 90°C and 30% relative humidity for evaluating the voltage loss rate of the ion exchange membrane for a layered fuel cell manufactured according to the examples and comparative examples of the present invention.
Figure 9 is a graph showing the voltage and power density of a single cell measured in order to analyze the performance of the ion exchange membrane for fuel cells manufactured according to Examples and Comparative Examples of the present invention when applied to a single cell.
Figure 10 is a graph showing the voltage and power density of an ion exchange membrane subjected to an open circuit voltage test for 100 hours to measure the stability of a cell containing an ion exchange membrane for a fuel cell manufactured according to embodiments of the present invention.
Figure 11 shows a composite electrolyte membrane (composite) that does not have a layered structure and only contains cerium oxide nanoparticles inside the ion exchange membrane, in order to examine the effect of the ion exchange membrane for a fuel cell with a layered structure manufactured according to embodiments of the present invention. This is a graph showing the voltage and power density of cells including ion exchange membranes for each fuel cell, using as a comparative example.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Since the present invention can be subject to various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or steps. , it should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 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 otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

본 발명의 연료전지용 이온교환막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지를 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.The ion exchange membrane for a fuel cell of the present invention, its manufacturing method, and a fuel cell including the same will be described with reference to FIG. 1.

도 1을 참조하면, 본 발명의 연료전지용 이온교환막은 탄화수소계 전해질막으로, 하기 화학식 1의 구조를 갖는 제1 화합물로 형성된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 고분자 전해질막은 일 면에 세륨 나노입자가 분산된 제1 표면층 및 상기 제1 표면층 반대면에 세륨 나노입자가 분산된 제2 표면층을 포함하여 층상 구조(layer-by-layer)를 이루는 것을 특징으로 한다.Referring to Figure 1, the ion exchange membrane for a fuel cell of the present invention is a hydrocarbon-based electrolyte membrane and includes a polymer electrolyte membrane formed of a first compound having the structure of the following formula (1), and the polymer electrolyte membrane has cerium nanoparticles dispersed on one side. It is characterized in that it forms a layer-by-layer structure including a first surface layer and a second surface layer in which cerium nanoparticles are dispersed on the opposite side of the first surface layer.

<화학식 1><Formula 1>

상기 제1 화합물은 하기의 화학식 2의 구조를 갖는 폴리(아릴렌에테르술폰)(poly(arylene ether sulfone), 이하에서 PAES이라 함)을 주쇄로 하고, 측쇄에 알킬기를 포함하는 술폰산기가 그래프팅(grafting)된 구조를 가질 수 있다. The first compound has a main chain of poly(arylene ether sulfone) (hereinafter referred to as PAES) having the structure of Formula 2 below, and a sulfonic acid group containing an alkyl group is grafted to the side chain ( It may have a grafting structure.

상기 술폰산기의 비율은 상기 연료전지용 이온교환막의 몰 분율 대비 약 120 내지 160일 수 있다.The ratio of the sulfonic acid group may be about 120 to 160 relative to the mole fraction of the ion exchange membrane for a fuel cell.

<화학식 2><Formula 2>

상기 제1 화합물로 형성된 고분자 전해질막은 종래의 Nafion 전해질막에 비해 가격이 저렴하고, 높은 양성자 전도도를 가지므로, 본 발명의 연료전지용 전해질막으로 매우 적합할 수 있다.The polymer electrolyte membrane formed from the first compound is less expensive than the conventional Nafion electrolyte membrane and has high proton conductivity, so it can be very suitable as an electrolyte membrane for the fuel cell of the present invention.

상기 제1 및 제2 표면층은 각각 상기 고분자 전해질막의 제1 면 및 상기 제1 면의 반대면인 제2 면에 형성될 수 있고, 상기 고분자 전해질막에 세륨 입자가 분산된 구조를 가질 수 있다.The first and second surface layers may be formed on the first side of the polymer electrolyte membrane and the second side opposite the first side, respectively, and may have a structure in which cerium particles are dispersed in the polymer electrolyte membrane.

상기 제1 및 제2 표면층의 두께는 각각 10 ㎛이하 일 수 있다. 상기 제1 및 제2 표면층의 두께가 약 10㎛를 초과하는 경우, 제1 및 제2 표면층에는 이온을 전달하는 고분자 뿐만 아니라 세륨이 함께 분포해 있기 때문에, 세륨 입자가 이온을 전달할 수 있는 채널(클러스터)을 방해하여 이온 전도도를 저하시킬 수 있다. 즉, 제1 및 제2 표면층이 두꺼워질수록, 이온이 전해질막을 가로질러 지나가기 어렵고, 이는 이온 전도도의 감소로 이어질 수 있다. 따라서 두께에 의한 저항이 셀 성능을 저하시키지 않는 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 구체적으로, 상기 제1 및 제2 표면층의 두께는 바람직하게 각각 약 1 내지 10 ㎛일 수 있다.The thickness of the first and second surface layers may each be 10 ㎛ or less. When the thickness of the first and second surface layers exceeds about 10㎛, cerium as well as polymers that transmit ions are distributed in the first and second surface layers, forming a channel through which cerium particles can transmit ions ( Clusters) can reduce ionic conductivity. That is, as the first and second surface layers become thicker, it becomes more difficult for ions to pass across the electrolyte membrane, which may lead to a decrease in ionic conductivity. Therefore, it is preferable that the thickness is such that resistance due to the thickness does not deteriorate cell performance. Specifically, the thickness of the first and second surface layers may be preferably about 1 to 10 μm, respectively.

상기 제1 및 제2 표면층은 각각 세륨 나노입자가 상기 제1 및 제2 표면층 전체 고분자 대비 약 2 내지 4 wt%으로 분산된 것일 수 있다. 세륨 나노입자가 약 2 wt% 미만으로 분산된 경우, 세륨 나노입자의 라디칼 제거 능력이 낮아질 수 있고, 반면, 세륨 나노입자가 약 4 wt% 초과로 분산된 경우, 세륨 나노입자가 이온을 전달할 수 있는 채널을 가로막아 이온의 전해질막 이동을 방해할 수 있고, 내부에서 세륨 이온(+)과 술폰산기(-)의 결합으로 인해 수분 흡수율이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 이온 전도도 성능을 확보하면서 동시에 일정 성능 이상의 라디칼 제거제 역할을 수행하기 위해 본 발명에서는 적절한 양의 세륨 나노입자가 도포될 수 있다. The first and second surface layers may each have cerium nanoparticles dispersed in an amount of about 2 to 4 wt% based on the total polymer of the first and second surface layers. If the cerium nanoparticles are dispersed at less than about 2 wt%, the radical removal ability of the cerium nanoparticles may be lowered, whereas if the cerium nanoparticles are dispersed at more than about 4 wt%, the cerium nanoparticles may be able to transfer ions. It can block the channels in the electrolyte membrane, hindering the movement of ions into the electrolyte membrane, and there is a problem in that the moisture absorption rate is lowered due to the combination of cerium ions (+) and sulfonic acid groups (-) inside. Therefore, in order to secure ionic conductivity performance and at the same time perform the role of a radical scavenger above a certain level, an appropriate amount of cerium nanoparticles can be applied in the present invention.

상기 연료전지용 이온교환막은 같은 세륨 나노입자의 농도에서 멤브레인의 두께가 얇아지면 산화방지의 효과가 낮아지고, 멤브레인의 두께가 두꺼워지면 셀 퍼포먼스가 저하될 수 있다. As for the ion exchange membrane for fuel cells, if the thickness of the membrane becomes thin at the same concentration of cerium nanoparticles, the effect of preventing oxidation decreases, and if the membrane thickness becomes thick, cell performance may decrease.

따라서 본 발명의 바람직한 연료전지용 이온교환막은 10㎛의 두께를 갖는 제1 및 제2 표면층을 갖고, 상기 세륨 나노입자가 상기 연료전지용 이온교환막 전체 대비 4 wt%으로 분산된 것일 수 있다.Therefore, the preferred ion exchange membrane for fuel cells of the present invention may have first and second surface layers with a thickness of 10 μm, and the cerium nanoparticles may be dispersed at 4 wt% relative to the entire ion exchange membrane for fuel cells.

상기 세륨 나노입자는 고분자 전해질 막에 분산될 수 있는 크기이면 특별히 그 크기를 제한하지는 않으나, 바람직하게는, 약 5nm 내지 10 nm의 크기를 가질 수 있다. 세륨 나노입자는 크기가 균일한 구형, 판형, 막대 및 다형체 등의 형태를 가질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The size of the cerium nanoparticles is not particularly limited as long as they can be dispersed in the polymer electrolyte membrane, but preferably, they may have a size of about 5 nm to 10 nm. Cerium nanoparticles may have the form of uniformly sized spheres, plates, rods, and polymorphs, but are not necessarily limited thereto.

일 실시예에서, 상기 세륨 나노입자는 산화세륨(CeO2) 나노입자일 수 있다. In one embodiment, the cerium nanoparticles may be cerium oxide (CeO 2 ) nanoparticles.

일 실시예에서, 상기 연료전지용 이온교환막의 두께는 80 내지 100 ㎛일 수 있다.In one embodiment, the thickness of the ion exchange membrane for a fuel cell may be 80 to 100 ㎛.

한편, 본 발명의 연료전지용 이온교환막의 제조방법은 상기 화학식 1의 구조를 갖는 제1 화합물을 제조하는 제1 단계 및 상기 제1 화합물로 형성된 박막에 세륨 나노입자를 고분자 용액에 분산시킨 혼합용액을 도포하는 제2 단계를 포함하고, 상기 제2 단계는 상기 제1 화합물로 형성된 박막의 양 면에 혼합 용액을 도포하여 층상 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, the method for manufacturing an ion exchange membrane for a fuel cell of the present invention includes a first step of preparing a first compound having the structure of Formula 1 and a mixed solution in which cerium nanoparticles are dispersed in a polymer solution in a thin film formed of the first compound. It includes a second step of applying, and the second step is characterized in that a mixed solution is applied to both sides of the thin film formed of the first compound to form a layered structure.

상기 제1 단계는 상기 화학식 2의 구조를 갖는 폴리(아릴렌에테르술폰)에 알킬기를 포함하는 술폰산기를 그래프팅(grafting)하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 먼저, 상기 화학식 2의 구조를 갖는 폴리(아릴렌에테르술폰)은 4,4-비스(4-하이드록시-3-메틸페닐)프로판(2,2-bis(4-hydroxy-3-methylphenyl)propane), 2,2-비스(4-하이드록시페닐)프로판(2,2-bis(4-hydroxyphenyl)propane) 및 비스(4-플루오로페닐)설폰(bis(4-fluorophenyl) sulfone)을 이용하여 합성할 수 있다.The first step may be performed by grafting a sulfonic acid group containing an alkyl group onto poly(arylene ethersulfone) having the structure of Formula 2. Specifically, first, poly(arylene ethersulfone) having the structure of Formula 2 is 4,4-bis(4-hydroxy-3-methylphenyl)propane (2,2-bis(4-hydroxy-3-methylphenyl) )propane), 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)propane) and bis(4-fluorophenyl)sulfone) It can be synthesized using

상기 알킬기를 포함하는 술폰산기의 그래프팅(grafting)은 소듐 3-머캅토-프로판설포네이트(sodium 3-mercapto-1-propanesulfonate)를 이용하여 수행될 수 있다. Grafting of the sulfonic acid group containing the alkyl group can be performed using sodium 3-mercapto-1-propanesulfonate.

상기 제1 단계를 통해 제조된 제1 화합물의 술폰산기 비율은 상기 연료전지용 이온교환막의 몰 분율 대비 약 120 내지 160일 수 있다. The ratio of sulfonic acid groups of the first compound prepared through the first step may be about 120 to 160 compared to the mole fraction of the ion exchange membrane for fuel cells.

상기 혼합용액은 고분자 용액에 세륨 나노입자가 분산된 용액으로, 상기 고분자 용액은 예를 들면, SPI(Sulfonated polyimide), SPEEK(Sulfonated poly(ether ether ketone)), SPAEK(Sulfonated poly(arylene ether ketone)) 및 SPAES(Sulfonated poly(arylene ether sulfone)) 으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는, 상기 고분자 용액은 SPAES(Sulfonated poly(arylene ether sulfone))일 수 있다. The mixed solution is a solution in which cerium nanoparticles are dispersed in a polymer solution. The polymer solution is, for example, SPI (Sulfonated polyimide), SPEEK (Sulfonated poly(ether ether ketone)), SPAEK (Sulfonated poly(arylene ether ketone)) ) and SPAES (Sulfonated poly(arylene ether sulfone)). Preferably, the polymer solution may be SPAES (Sulfonated poly(arylene ether sulfone)).

상기 세륨 나노입자는 고분자 전해질 막에 분산될 수 있는 크기이면 특별히 그 크기를 제한하지는 않으나, 바람직하게는, 약 5nm 내지 10nm의 크기를 가질 수 있다. 세륨 나노입자는 크기가 균일한 구형, 판형, 막대 및 다형체 등의 형태를 가질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The size of the cerium nanoparticles is not particularly limited as long as they can be dispersed in the polymer electrolyte membrane, but preferably, they may have a size of about 5 nm to 10 nm. Cerium nanoparticles may have the form of uniformly sized spheres, plates, rods, and polymorphs, but are not necessarily limited thereto.

일 실시예에서, 상기 세륨 나노입자는 산화세륨(CeO2) 나노입자일 수 있다. In one embodiment, the cerium nanoparticles may be cerium oxide (CeO2) nanoparticles.

상기 제2 단계는, 스프레이 방법을 통해 수행될 수 있다. 스프레이 방법은 통상적으로 사용되는 스프레이 장치를 통해 수행될 수 있으며, 본 발명에서는 스프레이 장치를 특별히 제한하지는 않는다. 상기 도포는 제1 화합물로 형성된 박막의 제 1면 및 상기 제1 면과 반대면인 제 2면 각각에 수행될 수 있다.The second step may be performed through a spray method. The spray method can be performed through a commonly used spray device, and the spray device is not particularly limited in the present invention. The application may be performed on each of the first side and the second side opposite the first side of the thin film formed of the first compound.

상기 제2 단계에서 도포는, 세륨 나노입자가 분산된 층이 약 10㎛ 이하의 두께를 가질 정도로 수행될 수 있다. 세륨 나노입자가 분산된 층이 10㎛를 초과하는 경우, 이온 전도도가 저하되는 문제점이 있다. 따라서 상기 세륨 나노입자가 분산된 층이 약 1 내지 10㎛의 두께를 갖도록 제2 단계가 수행될 수 있다. 또한, 상기 도포는, 세륨 나노입자가 분산된 표면층 전체 대비 약 2 내지 4 wt%로 분산될 수 있도록 수행될 수 있다.In the second step, application may be performed to the extent that the layer in which the cerium nanoparticles are dispersed has a thickness of about 10 μm or less. If the layer in which cerium nanoparticles are dispersed exceeds 10㎛, there is a problem in that ionic conductivity decreases. Therefore, the second step may be performed so that the layer in which the cerium nanoparticles are dispersed has a thickness of about 1 to 10 μm. Additionally, the application may be performed so that the cerium nanoparticles are dispersed in an amount of about 2 to 4 wt% based on the total surface layer in which the cerium nanoparticles are dispersed.

상기 제조방법을 통해 제조된 연료전지용 이온교환막은 제1 화합물로 형성된 박막으로, 제1 화합물로 형성된 박막은 세륨 나노입자가 분산된 제1 표면층 및 상기 제1 표면층 반대면에 세륨 나노입자가 분산된 제2 표면층을 포함하여 층상 구조(layer-by-layer)를 갖는 것을 특징으로 하며, 약 80 내지 100 ㎛의 두께를 가질 수 있다.The ion exchange membrane for a fuel cell manufactured through the above manufacturing method is a thin film formed of a first compound. The thin film formed of the first compound includes a first surface layer in which cerium nanoparticles are dispersed and cerium nanoparticles dispersed on the opposite side of the first surface layer. It is characterized by having a layer-by-layer structure including a second surface layer, and may have a thickness of about 80 to 100 ㎛.

본 발명의 연료전지는 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 배치된, 상기 화학식 1의 구조를 갖는 제1 화합물로 형성된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 고분자 전해질막은 일 면에 세륨 나노입자가 분산된 제1 표면층 및 상기 제1 표면층 반대면에 세륨 나노입자가 분산된 제2 표면층을 포함하여 층상 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.The fuel cell of the present invention includes an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode and formed of a first compound having the structure of Formula 1, wherein the polymer electrolyte membrane has cerium nanoparticles dispersed on one side. It is characterized in that it forms a layered structure including a first surface layer and a second surface layer in which cerium nanoparticles are dispersed on a surface opposite to the first surface layer.

본 발명에 따르면, 세륨 나노입자를 술폰산기를 포함하는 폴리(아릴렌에테르술폰) 고분자 전해질 막에 층상 구조로 도포함으로써, 상기 고분자 전해질 막 내부로의 전자 및 산소 전달을 차단하여 산화 안정성과 확보된 이온 전도도를 제공할 수 있다.According to the present invention, cerium nanoparticles are applied in a layered structure to a poly(arylene ether sulfone) polymer electrolyte membrane containing a sulfonic acid group, thereby blocking electron and oxygen transfer into the polymer electrolyte membrane to ensure oxidation stability and secured ions. It can provide conductivity.

이하에서, 구체적인 실시예들 및 비교예를 통해서 본 발명의 층상 구조를 갖는 연료전지용 이온교환막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the ion exchange membrane for a fuel cell having a layered structure of the present invention, its manufacturing method, and a fuel cell including the same will be described in more detail through specific examples and comparative examples. However, the embodiments of the present invention are only some embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1: PAES140-2CeOExample 1: PAES140-2CeO 22 membrane

① PAES 합성① PAES synthesis

PAES는 단량체인 4,4-비스(4-하이드록시-3-메틸페닐)프로판(2,2-bis(4-hydroxy-3-methylphenyl)propane), 2,2-비스(4-하이드록시페닐)프로판(2,2-bis(4-hydroxyphenyl)propane) 및 비스(4-플루오로페닐)설폰(bis(4-fluorophenyl) sulfone)을 이용하여 합성하였다.PAES is a monomer called 4,4-bis(4-hydroxy-3-methylphenyl)propane (2,2-bis(4-hydroxy-3-methylphenyl)propane), 2,2-bis(4-hydroxyphenyl) It was synthesized using propane (2,2-bis(4-hydroxyphenyl)propane) and bis(4-fluorophenyl)sulfone.

② SPAES 합성② SPAES synthesis

상기에서 제조된 PAES를 주쇄로 이용하였고, 상기 주쇄에 소듐 3-머캅토-프로판설포네이트(sodium 3-mercapto-1-propanesulfonate)를 그래프팅하여 술폰화된 폴리(아릴렌에테르술폰)(sulfonated poly(arylene ether sulfone), SPAES)를 제조한 후 술폰산기를 활성화시켜, SPAES 고분자 전해질막을 제조하였다. 제조된 SPAES의 막에서 술폰산기의 비율은 전체 막 대비 140% 이였다.The PAES prepared above was used as a main chain, and sodium 3-mercapto-1-propanesulfonate was grafted onto the main chain to produce sulfonated poly(arylene ether sulfone). (arylene ether sulfone), SPAES) was prepared and the sulfonic acid group was activated to prepare a SPAES polymer electrolyte membrane. The ratio of sulfonic acid groups in the prepared SPAES membrane was 140% compared to the entire membrane.

③ 층상구조(layer-by-layer)의 제조③ Manufacturing of layer-by-layer structure

SPAES 고분자 전해질막 표면층에만 산화 세륨 나노입자를 포함하는 층상 구조 양이온 교환막을 만들기 위해, 스프레이 기법을 사용하였다. 산화세륨 나노입자를 고분자 용액에 분산시킨 후, 스프레이를 이용하여 SPAES 고분자 전해질막 양 표면에 균일하게 도포하여, 본 발명의 실시예 1에 따른 SPAES140-2CeO2 막을 제조하였다. 연료전지용 이온교환막 표면층에서 산화세륨 나노입자의 농도는 2%였다. 제조된 SPAES140-2CeO2 막의 두께는 약 100㎛ 이였고, 세륨 나노입자가 포함된 표면층은 각각 10 ㎛이였다.A spray technique was used to create a layered cation exchange membrane containing cerium oxide nanoparticles only on the surface layer of the SPAES polymer electrolyte membrane. Cerium oxide nanoparticles were dispersed in a polymer solution and then uniformly applied to both surfaces of the SPAES polymer electrolyte membrane using a spray to prepare a SPAES140-2CeO2 membrane according to Example 1 of the present invention. The concentration of cerium oxide nanoparticles in the surface layer of the ion exchange membrane for fuel cells was 2%. The thickness of the prepared SPAES140-2CeO 2 film was about 100 ㎛, and the surface layer containing cerium nanoparticles was 10 ㎛ each.

실시예 2: SPAES140-4CeOExample 2: SPAES140-4CeO 22 membrane

연료전지용 이온교환막 표면층 전체 대비 산화세륨 나노입자의 농도를 4%으로 설정하여 제조한 것을 제외하고는, 본 발명의 실시예 1과 동일한 공정을 통해 SPAES140-4CeO2 막을 제조하였다. 제조된 SPAES140-4CeO2 막의 두께는 약 100㎛ 이였고, 세륨 나노입자가 포함된 표면층은 각각 10 ㎛이였다.A SPAES140-4CeO 2 membrane was manufactured through the same process as Example 1 of the present invention, except that the concentration of cerium oxide nanoparticles was set to 4% relative to the entire surface layer of the ion exchange membrane for fuel cells. The thickness of the prepared SPAES140-4CeO 2 film was about 100 ㎛, and the surface layer containing cerium nanoparticles was 10 ㎛ each.

비교예 1: SPAES120 막Comparative Example 1: SPAES120 membrane

본 발명의 실시예 1의 SPAES 합성 공정을 통해, SPAES의 막에서 술폰산기의 비율이 120인, SPAES120 막을 제조하였다. Through the SPAES synthesis process in Example 1 of the present invention, a SPAES120 membrane was prepared in which the ratio of sulfonic acid groups in the SPAES membrane was 120.

비교예 2: SPAES140 막Comparative Example 2: SPAES140 membrane

본 발명의 실시예 1의 SPAES 합성 공정을 통해, SPAES의 막에서 술폰산기의 비율이 140인, SPAES140 막을 제조하였다. Through the SPAES synthesis process in Example 1 of the present invention, a SPAES140 membrane was prepared in which the ratio of sulfonic acid groups in the SPAES membrane was 140.

비교예 3: SPAES160 막Comparative Example 3: SPAES160 membrane

본 발명의 실시예 1의 SPAES 합성 공정을 통해, SPAES의 막에서 술폰산기의 비율이 160인, SPAES160 막을 제조하였다. Through the SPAES synthesis process in Example 1 of the present invention, a SPAES160 membrane was prepared in which the ratio of sulfonic acid groups in the SPAES membrane was 160.

비교예 4: Nafion 212 막Comparative Example 4: Nafion 212 membrane

Nafion 212(Nafion solution 5wt% EW1100, Dupont, USA)를 사용하였다. Nafion 212 (Nafion solution 5wt% EW1100, Dupont, USA) was used.

실험예 1: 구조 및 성분 분석Experimental Example 1: Structure and component analysis

본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 연료전지용 이온교환막의 구조를 분석하기 위해, SEM 및 EDS를 이용하여 이미지를 얻었고, 그 결과를 도 2에 나타냈다.In order to analyze the structure of the ion exchange membrane for a fuel cell manufactured according to Example 2 of the present invention, images were obtained using SEM and EDS, and the results are shown in FIG. 2.

도 2를 참조하면, 실시예 2에 따라 제조된 연료전지용 이온교환막의 두께가 약 100㎛이며, 산화 세륨 나노입자를 포함하는 표면층은 약 10㎛이고, SPAES 이루어진 중앙층은 약 80㎛으로 제조되었음을 확인할 수 있다. 또한, 세륨 원소(노란색)는 교환막의 표면에 고르게 분포되어 있고 산화 세륨 입자 및 고분자에 포함 된 산소 원소(초록색)는 단면 전체에 고르게 분포되어 있음을 확인하였다.Referring to Figure 2, the thickness of the ion exchange membrane for a fuel cell manufactured according to Example 2 is about 100㎛, the surface layer containing cerium oxide nanoparticles is about 10㎛, and the central layer made of SPAES is about 80㎛. You can check it. In addition, it was confirmed that the cerium element (yellow) was evenly distributed on the surface of the exchange membrane, and the oxygen element (green) contained in the cerium oxide particles and polymer was evenly distributed throughout the cross section.

본 발명의 실시예 1 및 2에 따라 제조된 연료전지용 이온교환막의 구조 및 성분을 분석하였고, 그 결과를 도 3에 나타냈다.The structure and components of the ion exchange membrane for fuel cells manufactured according to Examples 1 and 2 of the present invention were analyzed, and the results are shown in FIG. 3.

도 3을 참조하면, 산화세륨 나노입자가 2% 포함된 이온교환막 보다 4% 에 포함된 이온교환막의 표면층에 산화세륨 나노입자의 개수가 더 많기 때문에, SPAES140-2CeO2 보다 SPAES140-4CeO2 이온교환막의 산화 방지 능력이 높은 것을 예상할 수 있다.Referring to Figure 3, since the number of cerium oxide nanoparticles in the surface layer of the ion exchange membrane containing 4% cerium oxide nanoparticles is greater than that of the ion exchange membrane containing 2% cerium oxide nanoparticles, the SPAES140-4CeO 2 ion exchange membrane is larger than the SPAES140-2CeO 2 ion exchange membrane. It can be expected that the anti-oxidation ability of is high.

실험예 2: 이온 전도도 및 이온교환용량 측정Experimental Example 2: Measurement of ion conductivity and ion exchange capacity

본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 연료전지용 이온교환막 각각의 이온 전도도 및 이온교환용량(ICE)을 측정하였고, 이를 각각 도 4 및 표 1에 나타냈다.The ion conductivity and ion exchange capacity (ICE) of each ion exchange membrane for fuel cells manufactured according to the examples and comparative examples of the present invention were measured, and these are shown in Figure 4 and Table 1, respectively.

IEC(이론)
(meq g -1)
IEC (theory)
( meq g -1 )
IEC(적정)
(meq g -1)
IEC (appropriate)
( meq g -1 )
IEC(NMR)
(meq g -1)
IEC(NMR)
( meq g -1 )
SPAES120SPAES120 1.8651.865 1.7451.745 1.8241.824 SPAES140SPAES140 2.0862.086 1.9791.979 2.0362.036 SPAES160SPAES160 2.2512.251 2.1032.103 2.1202.120 SPAES140-2CeO2 SPAES140-2CeO2 2.0312.031 1.8441.844 -- SPAES140-4CeO2 SPAES140-4CeO2 2.0032.003 1.7921.792 -- Nafion 212Nafion 212 -- 0.8700.870 --

도 4 및 표 1을 함께 참조하면, 이온 교환 용량과 양이온 전도도는 고분자에 포함된 술폰산기가 증가할수록 증가하는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 4 and Table 1 together, it can be seen that the ion exchange capacity and cation conductivity increase as the sulfonic acid group contained in the polymer increases.

추가적으로, 세륨 입자 농도에 따른 이온 전도도를 알아보기 위해, 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 2에 따라 제조된 연료전지용 이온교환막의 각각의 나이퀴스트(Nyquist) 곡선을 도출하였고, 그 결과를 도 5에 나타냈다.Additionally, in order to determine the ion conductivity according to the cerium particle concentration, the Nyquist curves of each of the ion exchange membranes for fuel cells manufactured according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 2 of the present invention were derived, and the results were is shown in Figure 5.

도 5를 참조하면, 이온교환막에 포함된 세륨 나노입자의 농도가 증가할수록 이온교환막의 저항값이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 저항값이 증가한다는 것은 이온교환막을 가로지르는 방향의 이온 전도도가 감소한다는 것을 의미할 수 있다. 세륨 나노입자가 분산된 층은 이온을 전달하는 고분자로 형성되어 있을 뿐만 아니라, 이온 전달할 수 있는 채널을 가로막는 세륨 나노입자도 함께 분산되어 있으므로, 세륨 나노입자가 분산된 층이 매우 두꺼워지거나 분산된 세륨 나노입자의 농도가 증가할수록 이온이 막을 통과하는 경로가 길어지고, 이는 이온의 이동을 방해하는 요인이 될 수 있다. 따라서 이를 통해, 세륨 나노입자가 분산되는 양 및 분산된 층의 두께를 제어하여 본 발명의 이온 전도도 성능을 확보하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.Referring to Figure 5, it can be seen that the resistance value of the ion exchange membrane increases as the concentration of cerium nanoparticles contained in the ion exchange membrane increases. An increase in resistance value may mean that ionic conductivity in the direction across the ion exchange membrane decreases. The layer in which cerium nanoparticles are dispersed is not only formed of a polymer that transmits ions, but also cerium nanoparticles that block the channel through which ions can transmit are also dispersed, so the layer in which cerium nanoparticles are dispersed becomes very thick or the dispersed cerium As the concentration of nanoparticles increases, the path for ions to pass through the membrane becomes longer, which can be a factor that hinders the movement of ions. Therefore, it can be seen that it is important to secure the ionic conductivity performance of the present invention by controlling the amount of cerium nanoparticles dispersed and the thickness of the dispersed layer.

도 4의 이온 전도도와 도 5의 저항값을 참조하였을 때, SPAES140-4CeO2 막 표면의 저항값이 올라간 것에 비해 이온 전도도는 SPAES140, SPAES140-2CeO2 막과 큰 차이를 보이지 않는 것을 알 수 있는데, 이는 4% 산화 세륨 나노 입자 도포층이 이온 교환막의 전도도에 크게 영향을 미치지 않는다는 것을 의미할 수 있다.Referring to the ionic conductivity in FIG. 4 and the resistance value in FIG. 5, it can be seen that while the resistance value of the surface of the SPAES140-4CeO 2 membrane increases, the ionic conductivity does not show a significant difference from that of the SPAES140 and SPAES140-2CeO 2 membranes. This may mean that the 4% cerium oxide nanoparticle coating layer does not significantly affect the conductivity of the ion exchange membrane.

실험예 3: 함수율 및 팽윤율 분석Experimental Example 3: Water content and swelling rate analysis

본 발명의 일 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 연료전지용 이온교환막들의 술폰산기 비율과 온도 변화에 따른 함수율과 팽윤율을 도 6에 나타냈다.The ratio of sulfonic acid groups of ion exchange membranes for fuel cells manufactured according to examples and comparative examples of the present invention and the moisture content and swelling ratio according to temperature change are shown in FIG. 6.

도 6을 참조하면, Nafion 막과 비교하여 술폰산기를 많이 함유하고 있는 SPAES 연료전지용 이온교환막일수록 온도가 증가함에 따라 함수율 및 팽윤율이 모두 증가하는 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 일 실시예를 따라 제조된 표면에 산화 세륨 나노입자를 포함하는 층상 구조의 연료전지용 이온교환막의 경우, SPAES140 막과 유사한 함수율과 팽윤율을 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to Figure 6, it can be seen that both water content and swelling ratio increase as the temperature increases in the ion exchange membrane for SPAES fuel cells, which contains more sulfonic acid groups compared to the Nafion membrane. It can be seen that the ion exchange membrane for a fuel cell with a layered structure containing cerium oxide nanoparticles on the surface manufactured according to an embodiment of the present invention exhibits a moisture content and swelling ratio similar to that of the SPAES140 membrane.

실험예 4: 화학적 안정성 평가Experimental Example 4: Chemical stability evaluation

본 발명의 일 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 연료전지용 이온교환막의 산화 안정성을 측정하기 위해 이온교환막을 Fenton 시약(2 wt.% H2O2 및 2 ppm FeSO4) 에 60℃에서 6시간, 12시간 동안 담근 후 남아 있는 막의 무게를 측정하였고, 그 결과를 도 7에 나타냈다.To measure the oxidation stability of the ion exchange membrane for fuel cells manufactured according to the embodiments and comparative examples of the present invention, the ion exchange membrane was dissolved in Fenton reagent (2 wt.% H 2 O 2 and 2 ppm FeSO 4 ) at 60°C. After soaking for 6 and 12 hours, the weight of the remaining film was measured, and the results are shown in Figure 7.

도 7을 참조하면, 12시간 처리 후 SPAES140 막의 잔류 중량은 52.36wt% 인 반면, SPAES140-4CeO2 막의 잔류 중량은 77.46wt% 까지 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해서, 산화 세륨 나노입자가 전극에서 생성된 라디칼을 제거했음을 알 수 있다.Referring to Figure 7, after treatment for 12 hours, the residual weight of the SPAES140 membrane was 52.36wt%, while the residual weight of the SPAES140-4CeO 2 membrane was confirmed to have improved to 77.46wt%. Through this, it can be seen that the cerium oxide nanoparticles removed the radicals generated at the electrode.

실험예 5: 전압 손실률 평가Experimental Example 5: Voltage loss rate evaluation

본 발명의 일 실시예 및 비교예들에 따라 제조된 연료전지용 이온교환막의 전압 손실률을 측정하기 위해 90℃, 30% 상대습도에서의 전해질막 개회로전압을 측정하였고, 그 결과를 도 8에 나타냈다.To measure the voltage loss rate of the ion exchange membrane for fuel cells manufactured according to an example and comparative examples of the present invention, the open circuit voltage of the electrolyte membrane was measured at 90°C and 30% relative humidity, and the results are shown in FIG. 8. .

도 8을 참조하면, 개회로전압 테스트에서 Nafion 막의 전압 변화는 50시간 이후 전압이 크게 감소한 반면, SPAES140-4CeO2막은 500시간 이후에도 안정적인 전압을 나타낸 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 8, in the open circuit voltage test, it can be seen that the voltage change of the Nafion film decreased significantly after 50 hours, while the SPAES140-4CeO 2 film showed a stable voltage even after 500 hours.

실험예 6: 셀 성능 분석Experimental Example 6: Cell performance analysis

본 발명에서의 일 실시예 및 비교예들에 따라 제조된 연료전지용 이온교환막을 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 단일 셀에 적용하여 전압과 전력 밀도를 측정하였고, 그 결과를 도 9에 나타냈다.The voltage and power density were measured by applying the ion exchange membrane for fuel cells manufactured according to the examples and comparative examples of the present invention to a single cell of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), and the results are shown in the figure. Shown in 9.

도 9를 참조하면, 세륨 나노 입자의 첨가는 이온 교환막의 셀 성능을 약간 감소시키는 것을 확인할 수 있다. SPAES140, SPAES140-2CeO2 그리고 SPAES140-4CeO2 막의 전력 밀도는 각각 378.59, 367.49 그리고 363.67 mW/cm2이다. 이러한 전력 밀도의 감소는 교환막을 층상 구조로 제조하면서 도포된 표면층과 전해질막 사이의 접착성 때문일 수 있다Referring to FIG. 9, it can be seen that the addition of cerium nanoparticles slightly reduces the cell performance of the ion exchange membrane. The power densities of SPAES140, SPAES140-2CeO 2 and SPAES140-4CeO 2 films are 378.59, 367.49 and 363.67 mW/cm 2 , respectively. This decrease in power density may be due to the adhesion between the electrolyte membrane and the surface layer applied while manufacturing the exchange membrane in a layered structure.

이어서, 셀의 안정성을 측정하기 위해 100시간동안 개회로전압 테스트를 진행한 이온 교환막의 전압과 전력밀도를 측정하였고, 그 결과를 도 10에 나타냈다.Next, to measure the stability of the cell, the voltage and power density of the ion exchange membrane that underwent an open circuit voltage test for 100 hours were measured, and the results are shown in Figure 10.

도 10을 참조하면, 도 9의 분극 곡선에서 전압 성능이 다른 속도로 감소하는 것으로 보아, 각각의 이온 교환막은 서로 다른 막 분해 속도를 보인다고 할 수 있다. SPAES140-4CeO2 막의 전력 밀도는 363.67mW/cm2에서 295.43mW/cm2로 가장 적게 감소하였다. 이러한 결과로 산화 세륨 나노입자가 연료 전지의 작동에서 라디칼을 소거하여 이온 교환막의 분해를 막는다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 10, as the voltage performance decreases at different rates in the polarization curve of FIG. 9, it can be said that each ion exchange membrane shows different membrane decomposition rates. The power density of the SPAES140-4CeO 2 film decreased the least from 363.67mW/cm 2 to 295.43mW/cm 2 . These results show that cerium oxide nanoparticles scavenge radicals in the operation of fuel cells and prevent decomposition of the ion exchange membrane.

본 발명의 특징인 층상 구조(Layer-by-layer)의 효과를 알아보기 위해, 층상 구조를 갖는 본 발명의 실시예 1 및 2의 이온교환막(LbL)과 층상 구조를 갖지 않고 산화 세륨 나노입자를 이온 교환막 내부에 단지 포함하는 복합 전해질막(composite)으로 제조한 셀 각각의 전압과 전력 밀도를 측정하여, 그 결과를 도 11에 나타냈다.In order to examine the effect of the layer-by-layer structure, which is a characteristic of the present invention, the ion exchange membranes (LbL) of Examples 1 and 2 of the present invention with a layered structure and cerium oxide nanoparticles without a layered structure were mixed. The voltage and power density of each cell manufactured with a composite electrolyte membrane (composite) contained only inside the ion exchange membrane were measured, and the results are shown in FIG. 11.

도 11을 참조하면, 복합막(composite)의 경우, 전력 밀도가 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 층상 구조(LbL)의 경우, 복합막(composite)과 비교하여 전력 밀도의 감소가 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 복합막(composite)의 경우, 전극에서 생성된 전자가 산화 세륨 나노입자를 통해 이온 교환막을 통과해서 이동하기 때문인 것으로 예상할 수 있고, 층상 구조(LbL)의 경우, 산화 세륨 나노입자가 없는 전해질막이 중간에 존재하기 때문에 전자가 이동할 수 없기 때문으로 예상할 수 있다. Referring to FIG. 11, it can be seen that in the case of a composite film, the power density is greatly reduced. On the other hand, in the case of the layered structure (LbL), it can be seen that the decrease in power density is not significant compared to the composite film. This result can be expected to be because, in the case of a composite membrane, the electrons generated at the electrode move through the ion exchange membrane through the cerium oxide nanoparticles, and in the case of a layered structure (LbL), the cerium oxide nanoparticles It can be expected that electrons cannot move because there is an electrolyte membrane in the middle.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art can make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following patent claims. You will understand that it is possible.

Claims (16)

하기 화학식 1의 반응공정을 통해 최종적으로 수득된 물질의 구조를 갖는 제1 화합물로 형성된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 고분자 전해질막은 일 면에 세륨 나노입자가 분산된 제1 표면층 및 상기 제1 표면층 반대면에 세륨 나노입자가 분산된 제2 표면층을 포함하여 층상 구조를 이루는 것을 특징으로 하고,
상기 제1 및 제2 표면층의 두께는 각각 1㎛ 내지 10㎛이고,
상기 세륨 나노입자는 상기 제1 및 제2 표면층에만 존재하는 것으로, 상기 제1 및 제2 표면층에 각각 2 내지 4 wt%으로 분산된 것을 특징으로 하는,
연료전지용 이온교환막:
<화학식 1>

It includes a polymer electrolyte membrane formed of a first compound having the structure of a material finally obtained through a reaction process of the following formula (1), wherein the polymer electrolyte membrane has a first surface layer in which cerium nanoparticles are dispersed on one side and an area opposite the first surface layer. It is characterized by forming a layered structure including a second surface layer in which cerium nanoparticles are dispersed on the surface,
The thickness of the first and second surface layers is 1㎛ to 10㎛, respectively,
The cerium nanoparticles exist only in the first and second surface layers, and are characterized in that they are dispersed in an amount of 2 to 4 wt% in the first and second surface layers, respectively.
Ion exchange membrane for fuel cells:
<Formula 1>

삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 세륨 나노입자는 산화세륨(CeO2) 나노입자인 것을 특징으로 하는,
연료전지용 이온교환막.
According to paragraph 1,
The cerium nanoparticles are characterized in that they are cerium oxide (CeO 2 ) nanoparticles.
Ion exchange membrane for fuel cells.
제1항에 있어서,
상기 연료전지용 이온교환막의 두께는 80 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는,
연료전지용 이온교환막.
According to paragraph 1,
Characterized in that the thickness of the ion exchange membrane for the fuel cell is 80 to 100 ㎛,
Ion exchange membrane for fuel cells.
양극;
음극; 및
상기 양극 및 음극 사이에 배치된, 제1항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항의 연료전지용 이온교환막;을 포함하는,
연료 전지.
anode;
cathode; and
Comprising: an ion exchange membrane for a fuel cell according to any one of claims 1, 4, and 5, disposed between the anode and the cathode;
fuel cell.
하기 화학식 1의 반응공정을 통해 최종적으로 수득된 물질의 구조를 갖는 제1 화합물을 제조하는 제1 단계 및 상기 제1 화합물로 형성된 박막에 세륨 나노입자를 고분자 용액에 분산시킨 혼합용액을 도포하는 제2 단계를 포함하고,
상기 제2 단계는 상기 제1 화합물로 형성된 박막의 양 면에 혼합 용액을 도포하여 층상 구조를 이루는 것을 특징으로 하고,
상기 층상구조에 있어서, 상기 박막의 양 면에 혼합 용액을 도포하여 형성시킨 층의 두께는 각각 1㎛ 내지 10㎛이고,
세륨 나노입자는 상기 박막의 양 면에 혼합 용액을 도포하여 형성시킨 층에만 존재하는 것으로, 2 내지 4 wt%으로 분산된 것을 특징으로 하는,
연료전지용 이온교환막의 제조방법:
<화학식 1>

A first step of preparing a first compound having the structure of a material finally obtained through the reaction process of formula 1 below, and applying a mixed solution in which cerium nanoparticles are dispersed in a polymer solution to a thin film formed from the first compound. Includes 2 steps,
The second step is characterized in that a mixed solution is applied to both sides of the thin film formed of the first compound to form a layered structure,
In the layered structure, the thickness of the layer formed by applying the mixed solution to both sides of the thin film is 1㎛ to 10㎛, respectively,
Cerium nanoparticles exist only in the layer formed by applying a mixed solution to both sides of the thin film, and are characterized in that they are dispersed at 2 to 4 wt%.
Manufacturing method of ion exchange membrane for fuel cell:
<Formula 1>

제7항에 있어서,
상기 제1 단계는,
폴리(아릴렌에테르술폰)에 알킬기 포함하는 술폰산기를 그래프팅(grafting)하여 수행하는 것인,
연료전지용 이온교환막의 제조방법.
In clause 7,
The first step is,
This is performed by grafting a sulfonic acid group containing an alkyl group onto poly(arylene ether sulfone),
Manufacturing method of ion exchange membrane for fuel cell.
제8항에 있어서,
상기 그래프팅(grafting)은 소듐 3-머캅토-프로판설포네이트(sodium 3-mercapto-1-propanesulfonate)를 이용하여 수행하는 것인,
연료전지용 이온교환막의 제조방법.
According to clause 8,
The grafting is performed using sodium 3-mercapto-1-propanesulfonate,
Manufacturing method of ion exchange membrane for fuel cell.
제7항에 있어서,
상기 제2 단계는, 스프레이 방법을 통해 도포되는 것인,
연료전지용 이온교환막의 제조방법.
In clause 7,
The second step is applied through a spray method,
Manufacturing method of ion exchange membrane for fuel cell.
제7항에 있어서,
상기 고분자 용액은 SPI(Sulfonated polyimide), SPEEK(Sulfonated poly(ether ether ketone)), SPAEK(Sulfonated poly(arylene ether ketone)) 및 SPAES(Sulfonated poly(arylene ether sulfone)) 으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
연료전지용 이온교환막의 제조방법.
In clause 7,
The polymer solution is any one selected from the group consisting of SPI (Sulfonated polyimide), SPEEK (Sulfonated poly(ether ether ketone)), SPAEK (Sulfonated poly(arylene ether ketone)), and SPAES (Sulfonated poly(arylene ether sulfone)). Characterized by,
Manufacturing method of ion exchange membrane for fuel cell.
제7항 내지 제11항의 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 연료전지용 이온교환막에 있어서,
상기 연료전지용 이온교환막은,
하기 화학식 1의 구조를 갖는 제1 화합물로 형성된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 고분자 전해질막은 일 면에 세륨 나노입자가 분산된 제1 표면층 및 상기 제1 표면층 반대면에 세륨 나노입자가 분산된 제2 표면층을 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 제1 및 제2 표면층의 두께는 각각 1㎛ 내지 10㎛이고,
상기 세륨 나노입자는 상기 제1 및 제2 표면층에만 존재하는 것으로, 상기 제1 및 제2 표면층에 각각 2 내지 4 wt%으로 분산된 것을 특징으로 하는,
연료전지용 이온교환막.
In the ion exchange membrane for fuel cells manufactured according to the method of any one of claims 7 to 11,
The ion exchange membrane for the fuel cell is,
It includes a polymer electrolyte membrane formed of a first compound having the structure of the following formula (1), wherein the polymer electrolyte membrane includes a first surface layer in which cerium nanoparticles are dispersed on one side and a second surface layer in which cerium nanoparticles are dispersed on an opposite side of the first surface layer. Characterized by comprising a surface layer,
The thickness of the first and second surface layers is 1㎛ to 10㎛, respectively,
The cerium nanoparticles exist only in the first and second surface layers, and are characterized in that they are dispersed in an amount of 2 to 4 wt% in the first and second surface layers, respectively.
Ion exchange membrane for fuel cells.
삭제delete 삭제delete 제12항에 있어서,
상기 세륨 나노입자는 산화세륨(CeO2) 나노입자인 것을 특징으로 하는,
연료전지용 이온교환막.
According to clause 12,
The cerium nanoparticles are characterized in that they are cerium oxide (CeO 2 ) nanoparticles.
Ion exchange membrane for fuel cells.
제12항에 있어서,
상기 연료전지용 이온교환막의 두께는 80 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는,
연료전지용 이온교환막.
According to clause 12,
Characterized in that the thickness of the ion exchange membrane for the fuel cell is 80 to 100 ㎛,
Ion exchange membrane for fuel cells.
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