KR102643968B1 - Membrane-electrode assembly prepared from cation exchange membnrane for producing hydrogen water and method for preparing membrane-electrode assembly - Google Patents

Membrane-electrode assembly prepared from cation exchange membnrane for producing hydrogen water and method for preparing membrane-electrode assembly Download PDF

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Abstract

본 발명은 효율적인 수소수 생산을 위한 막-전극접합체의 제조 방법 및 상기 막-전극 접합체에 관한 것이다. 다공성 고분자 필름을 단량체, 가교제 및 개시제가 혼합된 혼합 용액에 함침하여 세공을 충진하는 단계, 상기 다공성 고분자 필름의 세공 내에 충진된 혼합 용액을 가교중합반응시키는 단계, 상기 가교중합된 고분자 필름을 양이온교환기를 갖는 용액에 함침하여 고분자 필름에 양이온교환기를 도입하여 세공충진 양이온 교환막을 제조하는 단계, 상기 세공충진 양이온 교환막을 백금 이온 함유 용액에 함침하여 이온교환시키는 단계 및 상기 백금이온 교환된 세공충진 양이온 교환막을 알칼리 수용액에 함침하여 백금이온을 환원시켜 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 막-전극 접합체 제조방법을 제공하며, 25㎛ 이하의 두께를 갖는 다공성 고분자 필름 및 상기 다공성 고분자 필름의 표면에 전극 금속에 의한 전극층을 포함하며, 상기 다공성 고분자 필름의 세공 내에 양이온교환수지가 충진되고, 또한 상기 전극 금속이 존재하는 수소수 생성용 막-전극 접합체를 제공한다.The present invention relates to a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for efficient hydrogen water production and to the membrane-electrode assembly. Impregnating a porous polymer film with a mixed solution of a monomer, a cross-linking agent and an initiator to fill the pores, subjecting the mixed solution filled in the pores of the porous polymer film to a cross-linking polymerization reaction, and placing the cross-polymerized polymer film in a cation exchanger. Preparing a pore-filling cation exchange membrane by introducing a cation exchanger into a polymer film by impregnating it with a solution having a cation exchange membrane, impregnating the pore-filling cation exchange membrane in a solution containing platinum ions to ion-exchange the platinum ion-exchanged pore-filling cation exchanger. Provided is a method for manufacturing a membrane-electrode assembly comprising the step of impregnating a membrane in an aqueous alkaline solution to reduce platinum ions to form an electrode layer, comprising a porous polymer film having a thickness of 25 ㎛ or less and applying an electrode metal to the surface of the porous polymer film. It provides a membrane-electrode assembly for generating hydrogen water, including an electrode layer, wherein the pores of the porous polymer film are filled with a cation exchange resin and the electrode metal is present.

Description

효율적인 수소수 생성을 위한 세공충진 양이온교환막 기반의 막-전극접합체 및 막-전극 접합체 제조방법{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY PREPARED FROM CATION EXCHANGE MEMBNRANE FOR PRODUCING HYDROGEN WATER AND METHOD FOR PREPARING MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY}Membrane-electrode assembly and method of manufacturing a membrane-electrode assembly based on a pore-filling cation exchange membrane for efficient hydrogen water generation

본 발명은 효율적인 수소수 생산을 위한 막-전극접합체의 제조 방법 및 상기 막-전극 접합체에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for efficient hydrogen water production and to the membrane-electrode assembly.

이온교환막은 양이온과 음이온을 선택하여 한쪽 이온만을 통과시키는 합성수지막을 말하며, 양이온교환막과 음이온교환막이 있다. An ion exchange membrane refers to a synthetic resin membrane that selects cations and anions and allows only one ion to pass through. There are cation exchange membranes and anion exchange membranes.

양이온교환막은 마이너스의 전하를 띄고 있어, 마이너스의 이온은 반발하여 통과시키지 않고 플러스 이온만을 통과시킨다. 또 반대로 음이온교환막은 플러스의 전하를 띄고 있어, 마이너스의 이온만을 통과시키는 성질을 갖고 있다. 대표적인 이온교환막으로는 설폰기(基)를 갖는 양이온교환막, 4차 암모늄기를 갖는 음이온교환막 등이 있다. The cation exchange membrane has a negative charge, so it repels negative ions and allows only positive ions to pass through. On the other hand, the anion exchange membrane has a positive charge and has the property of allowing only negative ions to pass through. Representative ion exchange membranes include cation exchange membranes with sulfone groups and anion exchange membranes with quaternary ammonium groups.

이러한 이온교환막은 연료전지, 확산투석, 레독스 흐름 전지, 수처리, 해수의 담수화 등의 분야에서 널리 활용되고 있으며, 높은 선택성을 가져야 하기에 용매 및 비이온 용질의 낮은 투과성, 선택된 투과이온의 확산에 대한 낮은 저항, 높은 기계적 강도 및 내화학성을 필요로 한다. These ion exchange membranes are widely used in fields such as fuel cells, diffusion dialysis, redox flow batteries, water treatment, and seawater desalination. They must have high selectivity, so they have low permeability of solvents and non-ionic solutes, and diffusion of selected permeable ions. It requires low resistance to heat, high mechanical strength and chemical resistance.

이온교환막에 대한 기술로서, 대한민국 공개특허공보 제2012-0074365호에는 이온교환능력이 있는 중합체를 포함하는 용액을 제조하고, 상기 용액에 가교제를 첨가하여 제막한 후에 가교결합을 통해 이온교환막을 제조하고, 열처리하는 단계로 구성된 이온교환막 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 위 특허문헌에 개시된 기술은 이온교환수지의 기계적 물성 제약으로 인해 보강재(reinforcing material)를 함께 사용할 필요가 있다. As a technology for ion exchange membranes, Korean Patent Publication No. 2012-0074365 discloses that a solution containing a polymer with ion exchange ability is prepared, a cross-linking agent is added to the solution to form a film, and then an ion exchange membrane is manufactured through cross-linking. A method for manufacturing an ion exchange membrane consisting of heat treatment steps is disclosed. However, the technology disclosed in the above patent document requires the use of a reinforcing material due to limitations in the mechanical properties of the ion exchange resin.

한편, 일반적으로 PVC 및 PE 소재의 부직포(non-woven fabric)에 모노머 페이스트를 캐스팅하고 열중합 또는 광중합을 통해 기저막을 만들고, 4차 암모늄화(amination) 또는 술폰화(sulfonation) 처리를 함으로서 음이온교환막 또는 양이온교환막이 제조된다. 그러나 이 경우, 일정 수준 이상의 기계적 물성을 얻기 위해 이온교환막의 두께가 150㎛ 이상으로 두꺼워지며, 연속식 제조공정이 불가능하여 제조단가가 상승한다. Meanwhile, an anion exchange membrane is generally created by casting a monomer paste onto a non-woven fabric made of PVC or PE, creating a base membrane through thermal or light polymerization, and then performing quaternary ammonation or sulfonation. Alternatively, a cation exchange membrane is manufactured. However, in this case, in order to obtain mechanical properties above a certain level, the thickness of the ion exchange membrane becomes thicker than 150㎛, and the manufacturing cost increases because a continuous manufacturing process is impossible.

따라서 이온교환막의 두께를 얇게 하면서도, 이온 교환을 위한 충분한 기계적 물성을 나타낼 수 있는 이온교환막을 제조하는 방법에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 이와 관련하여 대한민국 공개특허공보 제2012-0059585호에서는 다공성 기재를 기저막으로 활용하여 얇은 두께의 이온교환막을 제조하는 방법에 관한 내용이 개시되어 있다.  Therefore, research has been conducted on a method of manufacturing an ion exchange membrane that can exhibit sufficient mechanical properties for ion exchange while reducing the thickness of the ion exchange membrane. In this regard, Korean Patent Publication No. 2012-0059585 describes a porous substrate. A method of manufacturing a thin-thick ion exchange membrane by using it as a base membrane is disclosed.

한편, 일본을 중심으로 1990년대 후반부터 수소수에 대한 연구가 활발히 이뤄졌으며, 1997년 미국 생물학지 'BBRC'지에서 관련 연구 결과가 다뤄지면서 본격적으로 상품화되기 시작하였다. 현재 일본에서는 수소수가 전체 식용수 시장의 10% 이상을 차지하는 것으로 알려져 있다.Meanwhile, research on hydrogen water has been actively conducted since the late 1990s, especially in Japan, and commercialization began in earnest in 1997 when related research results were covered in the American biology journal 'BBRC'. Currently, hydrogen water is known to account for more than 10% of the total drinking water market in Japan.

수소수는 활성산소를 제거해 면역력을 높여주고, 노화방지, 성인병 예방에 효능이 있는 것으로 알려져 있다. 일 예로 Okayama 대학의 연구에 따르면 수소수를 이용한 실험에서 쥐의 치주조직의 변화를 관찰하였을 때 수소수의 음용이 유의한 항산화 효과를 나타낸 결과를 확인하였다[T. Tomofuji et al., Scientific Report, 4, Article number: 5534 (2014)]. Hydrogen water is known to increase immunity by removing oxygen radicals and is effective in preventing aging and adult diseases. For example, according to a study by Okayama University, when changes in periodontal tissue of rats were observed in an experiment using hydrogen water, it was confirmed that drinking hydrogen water had a significant antioxidant effect [T. Tomofuji et al., Scientific Report, 4, Article number: 5534 (2014)].

수소수의 제조 방식은 크게 수소가스 주입방식(hydrogen gas injection type), 스틱방식(stick type), 시약첨가방식(reagent addition type) 및 전기분해방식(electrolysis type)의 4가지로 나눌 수 있다.Hydrogen water production methods can be broadly divided into four types: hydrogen gas injection type, stick type, reagent addition type, and electrolysis type.

이 중 전기분해방식에 해당하는 고분자 전해질막 수전해법은 고분자 전해질 양면에 전극촉매를 접합시킨 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)를 이용하여 물을 전기분해하는 방법으로서, 높은 전류밀도에서도 고효율로 전기분해를 수행할 수 있고, 순수로부터 고순도의 수소를 제조할 수 있으며, 전해효율도 높은 장점을 가지고 있다. Among these, the polymer electrolyte membrane water electrolysis method, which corresponds to the electrolysis method, is a method of electrolyzing water using a membrane-electrode assembly (MEA) in which an electrode catalyst is bonded to both sides of a polymer electrolyte, even at high current densities. It has the advantage of being able to perform electrolysis with high efficiency, producing high purity hydrogen from pure water, and also having high electrolysis efficiency.

MEA를 이용한 수소수 제조 방법에서 가장 핵심이 되는 부분은 MEA의 성능이라 할 수 있다. 따라서 일반적으로 화학적으로 안정성이 우수하며, 수소이온 전도도가 높은 것이 요구되는데, 이로 인해 통상적으로 Nafion을 사용하여 MEA를 제조하고 있다. The most important part of the hydrogen water production method using MEA is the performance of the MEA. Therefore, it is generally required to have excellent chemical stability and high hydrogen ion conductivity, and for this reason, Nafion is commonly used to manufacture MEA.

그러나 Nafion은 매우 고가여서 MEA의 제조단가를 크게 높이는 문제가 있다. 따라서 효율적이며 경제적인 수소수 제조를 위해 화학적으로 안정성이 우수하며 수소이온 전도도가 높은 동시에 제조 단가가 저렴한 수소이온 교환막 및 이를 기반으로 한 고효율 MEA의 개발이 요구되고 있는 실정이다. However, Nafion is very expensive, which has the problem of greatly increasing the manufacturing cost of MEA. Therefore, in order to produce hydrogen water efficiently and economically, there is a need to develop a hydrogen ion exchange membrane with excellent chemical stability, high hydrogen ion conductivity, and low manufacturing cost, and a high-efficiency MEA based on it.

본 발명은 효율적이며 경제적인 수소수 생산을 위한 막-전극접합체의 제조 방법 및 이를 이용한 전기화학적 수소수 생산 장치를 제공하고자 한다. The present invention seeks to provide a method for manufacturing a membrane-electrode assembly for efficient and economical hydrogen water production and an electrochemical hydrogen water production device using the same.

본 발명은 막-전극 접합체 제조방법에 관한 것으로서, 다공성 고분자 필름을 단량체, 가교제 및 개시제가 혼합된 혼합 용액에 함침하여 세공을 충진하는 단계, 상기 다공성 고분자 필름의 세공 내에 충진된 혼합 용액을 가교중합반응시키는 단계, 상기 가교중합된 고분자 필름을 양이온교환기를 갖는 용액에 함침하여 고분자 필름에 양이온교환기를 도입하여 세공충진 양이온 교환막을 제조하는 단계, 상기 세공충진 양이온 교환막을 백금 이온 함유 용액에 함침하여 이온교환시키는 단계 및 상기 백금이온 교환된 세공충진 양이온 교환막을 알칼리 수용액에 함침하여 백금이온을 환원시켜 촉매층을 형성하는 단계를 포함한다. The present invention relates to a method for manufacturing a membrane-electrode assembly, which includes filling pores by impregnating a porous polymer film with a mixed solution of a monomer, a cross-linker, and an initiator, and cross-polymerizing the mixed solution filled in the pores of the porous polymer film. reacting, impregnating the cross-polymerized polymer film with a solution containing a cation exchanger to introduce a cation exchanger into the polymer film to produce a pore-filling cation exchange membrane, impregnating the pore-filling cation exchange membrane with a solution containing platinum ions to produce ions It includes a step of exchanging and impregnating the platinum ion exchanged pore-filling cation exchange membrane with an aqueous alkaline solution to reduce platinum ions to form a catalyst layer.

상기 양이온 교환기는 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. The cation exchange group includes a sulfonic acid group (-SO 3 H), a carboxyl group (-COOH), a phosphonic group (-PO 3 H 2 ), a phosphinic group (-HPO 2 H), and an asonic group (-AsO 3 H 2 ). and a selinonic group (-SeO 3 H).

상기 단량체는 스티렌, N-페닐아크릴아미드(N-Phenylacrylamide), N-(트리페닐메틸)메타크릴아미드(N-(Triphenylmethyl)methacrylamide), 에틸렌글리콜 페닐에테르 아크릴레이트(Ethylene glycol phenyl ether acrylate), 2-히드록시-3-페녹시프로필 아크릴레이트(2-Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate), 2-술포에틸 메타크릴레이트(2-sulfoethyl methacrylate) 및 3-술포프로필 메타크릴레이트(3-sulfopropyl methacrylate)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. The monomers include styrene, N-Phenylacrylamide, N-(Triphenylmethyl)methacrylamide, Ethylene glycol phenyl ether acrylate, 2 -Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate, 2-sulfoethyl methacrylate and 3-sulfopropyl methacrylate It may be at least one selected from the group consisting of.

상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 하이드록시피발릭산 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트, 트리플로필렌글리콜 디아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리시클로데칸 디메탄올 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 글리세린 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트 및 트리스(2-하이드록시에틸)이소시아누레이트 트리아크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.The crosslinking agent is divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol diacrylate, hydroxypivalic acid neo. Pentyl glycol diacrylate, tripropylene glycol diacrylate, dipropylene glycol diacrylate, triethylene glycol diacrylate, tricyclodecane dimethanol diacrylate, trimethylolpropane triacrylate, glycerin triacrylate, trimethyl It may be at least one selected from the group consisting of all-propane triacrylate and tris(2-hydroxyethyl)isocyanurate triacrylate.

상기 가교제는 분자량이 서로 상이한 2 이상을 사용하는 것이 바람직하다.It is preferable to use two or more crosslinking agents having different molecular weights.

상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트의 혼합물이며, 가교제 100중량%에 대하여 디비닐벤젠 60 내지 90중량%, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 3 내지 15중량%, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트 3 내지 15중량% 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트 3 내지 15중량%의 범위로 포함할 수 있다. The crosslinking agent is a mixture of divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, and 1,6-hexanediol dimethacrylate, and contains 60 to 90% divinylbenzene based on 100% by weight of the crosslinking agent. Weight percent, may include in the range of 3 to 15% by weight of ethylene glycol dimethacrylate, 3 to 15% by weight of 1,3-butanediol dimethacrylate, and 3 to 15% by weight of 1,6-hexanediol dimethacrylate. You can.

상기 가교중합반응은 광가교(photo-crosslinking) 또는 열가교(thermal crosslinking)에 의해 수행될 수 있다.The crosslinking polymerization reaction may be performed by photo-crosslinking or thermal crosslinking.

상기 개시제는 벤조페논, 벤질디메틸케탈, 1,2-디페닐 에탄디온, 하이드록실디메틸아세토폰 및 α-하이드록시사이클로헥실페닐메타논으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 광개시제를 사용할 수 있다. The initiator may be at least one photoinitiator selected from the group consisting of benzophenone, benzyldimethylketal, 1,2-diphenyl ethanedione, hydroxyldimethylacetopone, and α-hydroxycyclohexylphenylmethanone.

상기 개시제는 벤조일 퍼옥사이드, 과산화벤조일, 아조비스이소부티로니트릴, 아조메탄 및 아조이소프로판으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 열개시제를 사용할 수 있다.The initiator may be at least one thermal initiator selected from the group consisting of benzoyl peroxide, benzoyl peroxide, azobisisobutyronitrile, azomethane, and azoisopropane.

상기 가교제는 모노머와 가교제의 합계 100중량%에 대하여 10 내지 30중량%의 함량으로 포함하는 것이 바람직하다. The crosslinking agent is preferably contained in an amount of 10 to 30% by weight based on a total of 100% by weight of the monomer and crosslinking agent.

상기 개시제는 모노머 100중량부에 대하여 1 내지 5중량부의 함량으로 포함하는 것이 바람직하다. The initiator is preferably included in an amount of 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of monomer.

상기 전극층 형성용 금속이온으로 이온교환시키는 단계는, 상기 세공충진 양이온 교환막을 황산수용액에 1 내지 15시간 함침시킨 후 수세하는 단계, 메탄올 또는 에탄올과 물의 혼합 용매에 전극층 형성용 금속 이온 함유 전구체를 용해하여 백금 이온 함유 용액을 제조하는 단계 및 상기 세정된 세공충진 양이온 교환막을 전극층 형성용 금속 이온 함유 전구체 용액에 함침하는 단계를 포함하는 공정에 의해 수행될 수 있다.The step of ion-exchanging with metal ions for forming the electrode layer includes impregnating the pore-filling cation exchange membrane in an aqueous sulfuric acid solution for 1 to 15 hours and then washing it with water, dissolving the metal ion-containing precursor for forming the electrode layer in methanol or a mixed solvent of ethanol and water. This can be performed by a process including preparing a solution containing platinum ions and impregnating the cleaned pore-filling cation exchange membrane with a precursor solution containing metal ions for forming an electrode layer.

상기 황산 수용액은 0.5 내지 2M의 농도를 갖는 것일 수 있다.The sulfuric acid aqueous solution may have a concentration of 0.5 to 2M.

상기 메탄올 또는 에탄올과 물의 혼합 용매는 메탄올 또는 에탄올과 물의 부피비가 1:2 내지 1:5인 것이 바람직하다.The mixed solvent of methanol or ethanol and water preferably has a volume ratio of methanol or ethanol and water of 1:2 to 1:5.

상기 전극층 형성용 금속 이온 함유 전구체 용액은 전극층 형성용 금속 이온을 0.1 내지 0.7mM의 농도를 갖는 것이 바람직하다.The precursor solution containing the metal ion for forming the electrode layer preferably has a concentration of 0.1 to 0.7mM of the metal ion for forming the electrode layer.

전극층 형성용 금속이온으로 이온교환시키는 단계는 20분 내지 1시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.The step of ion exchange with metal ions for forming the electrode layer is preferably performed for 20 minutes to 1 hour.

상기 환원은 상기 전극층 형성용 금속이온으로 이온교환된 세공충진 양이온 교환막을 pH 11 내지 14의 알칼리 수용액에 NaBH4 및 LiAlH4로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나가 용해된 환원용액에 함침하여 수행하는 것이 바람직하다.The reduction is performed by impregnating the pore-filling cation exchange membrane, which has been ion-exchanged with metal ions for forming the electrode layer, in a reducing solution in which at least one selected from the group consisting of NaBH 4 and LiAlH 4 is dissolved in an aqueous alkaline solution of pH 11 to 14. desirable.

상기 환원용액에 함침은 30분 내지 5시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.Impregnation in the reducing solution is preferably performed for 30 minutes to 5 hours.

상기 환원용액은 알칼리 수용액에 NaBH4가 0.6 내지 0.9M의 농도로 용해된 것을 사용할 수 있다.The reducing solution may be one in which NaBH 4 is dissolved in an aqueous alkaline solution at a concentration of 0.6 to 0.9 M.

상기 전극층 형성용 금속이온은 백금, 류테늄 또는 이들의 혼합 금속의 이온일 수 있다.The metal ion for forming the electrode layer may be platinum, ruthenium, or a mixed metal ion thereof.

상기 알칼리 수용액은 25 내지 60℃의 온도를 갖는 것이 바람직하다.The alkaline aqueous solution preferably has a temperature of 25 to 60°C.

상기 다공성 고분자 필름은 25㎛ 이하(0㎛은 제외한다)의 두께를 갖는 것일 수 있다. The porous polymer film may have a thickness of 25 ㎛ or less (excluding 0 ㎛).

상기 다공성 고분자 필름은 LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), PE(Polyethylene)계 공중합체, PP(Polypropylene), EVA(Ethylene Vinyl Alcohol), EOR(Ethylene Octene Rubber)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 사용할 수 있다. The porous polymer film is from the group consisting of LLDPE (Linear Low Density Polyethylene), LDPE (Low Density Polyethylene), PE (Polyethylene)-based copolymer, PP (Polypropylene), EVA (Ethylene Vinyl Alcohol), and EOR (Ethylene Octene Rubber). You can use whatever you choose.

상기 다공성 고분자 필름을 용매에 30분 내지 5시간 동안 세척한 후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. It may further include washing the porous polymer film in a solvent for 30 minutes to 5 hours and then drying it.

상기 용매는 아세톤, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), 아세토니트릴(acetonitrile), 메탄올(methanol) 및 에탄올(ethanol)로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.The solvent may be selected from the group consisting of acetone, dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), acetonitrile, methanol, and ethanol.

상기 백금이온을 환원시키는 단계에서 얻어진 막-전극 접합체를 황산 수용액으로 30분 내지 5시간 동안 함침한 후 수세하는 단계를 더 포함할 수 있다.It may further include impregnating the membrane-electrode assembly obtained in the step of reducing the platinum ions with an aqueous sulfuric acid solution for 30 minutes to 5 hours and then washing it with water.

본 발명은 막-전극 접합체를 제공하며, 상기 막-전극 접합체는 25㎛ 이하의 두께를 갖는 다공성 고분자 필름의 세공 내에 양이온교환수지가 충진되어 있고, 상기 양이온교환수지에 백금이 존재하며, 상기 다공성 고분자 필름의 표면에 백금에 의한 촉매층을 포함한다. The present invention provides a membrane-electrode assembly, wherein the pores of a porous polymer film having a thickness of 25㎛ or less are filled with a cation exchange resin, platinum is present in the cation exchange resin, and the porous A catalyst layer made of platinum is included on the surface of the polymer film.

상기 양이온교환수지는 단량체, 가교제 및 광개시제 또는 열개시제의 중합에 의해 생성된 것일 수 있다.The cation exchange resin may be produced by polymerization of a monomer, a crosslinking agent, and a photoinitiator or thermal initiator.

상기 다공성 고분자 필름은 LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), PE(Polyethylene)계 공중합체, PP(Polypropylene), EVA(Ethylene Vinyl Alcohol), EOR(Ethylene Octene Rubber)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것일 수 있다.The porous polymer film is from the group consisting of LLDPE (Linear Low Density Polyethylene), LDPE (Low Density Polyethylene), PE (Polyethylene)-based copolymer, PP (Polypropylene), EVA (Ethylene Vinyl Alcohol), and EOR (Ethylene Octene Rubber). It may be chosen.

상기 단량체는 스티렌, N-페닐아미드(N-Phenylacrylamide), N-트리페닐메틸 메타크릴라이드(N-(Triphenylmethyl)methacrylamide), 에틸렌글리콜 페닐에테르 아크릴레이트(Ethylene glycol phenyl ether acrylate), 2-히드록시-3-페녹시페닐 아크릴레이트(2-Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate), 2-술포에틸 메타크릴레이트(2-sulfoethyl methacrylate) 및 3-술포프로필 메타크릴레이트(3-sulfopropyl methacrylate) 으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.The monomers include styrene, N-phenylacrylamide, N-(Triphenylmethyl)methacrylamide, ethylene glycol phenyl ether acrylate, and 2-hydroxy. -From the group consisting of 2-Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate, 2-sulfoethyl methacrylate and 3-sulfopropyl methacrylate There may be at least one selected.

상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 하이드록시피발릭산 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트, 트리플로필렌글리콜 디아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리시클로데칸 디메탄올 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 글리세린 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트 및 트리스(2-하이드록시에틸)이소시아누레이트 트리아크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 분자량이 상이한 2 이상을 포함하는 것일 수 있다.The crosslinking agent is divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol diacrylate, hydroxypivalic acid neo. Pentyl glycol diacrylate, tripropylene glycol diacrylate, dipropylene glycol diacrylate, triethylene glycol diacrylate, tricyclodecane dimethanol diacrylate, trimethylolpropane triacrylate, glycerin triacrylate, trimethyl It may include two or more compounds having different molecular weights selected from the group consisting of all-propane triacrylate and tris(2-hydroxyethyl)isocyanurate triacrylate.

상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트를 포함하는 것일 수 있다.The crosslinking agent may include divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, and 1,6-hexanediol dimethacrylate.

상기 광개시제는 벤조페논, 벤질디메틸케탈, 1,2-디페닐 에탄디온, 하이드록실디메틸아세토폰 및 α-하이드록시사이클로헥실페닐메타논으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.The photoinitiator may be at least one selected from the group consisting of benzophenone, benzyldimethylketal, 1,2-diphenyl ethanedione, hydroxyldimethylacetopone, and α-hydroxycyclohexylphenylmethanone.

상기 열개시제는 벤조일 퍼옥사이드, 과산화벤조일, 아조비스이소부티로니트릴, 아조메탄 및 아조이소프로판으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.The thermal initiator may be at least one selected from the group consisting of benzoyl peroxide, benzoyl peroxide, azobisisobutyronitrile, azomethane, and azoisopropane.

본 발명의 막-전극접합체는 얇으면서 우수한 전기적 성능 및 강한 물리적 강도를 가지는 세공충진 양이온교환막을 기반으로 제조됨으로써, 종래의 Nafion 기반의 막-전극접합체와 비교하여 제조단가가 매우 저렴하며 동시에 동등 수준의 성능을 얻을 수 있다. The membrane-electrode assembly of the present invention is manufactured based on a pore-filling cation exchange membrane that is thin and has excellent electrical performance and strong physical strength, so the manufacturing cost is very low and at the same level as that of the conventional Nafion-based membrane-electrode assembly. performance can be obtained.

본 발명의 막-전극 접합체는 25㎛ 이하의 두께를 갖는 다공성 고분자 필름을 기재로 사용하여 세공에 양이온교환수지를 충진함으로써 제조될 수 있어, 롤투롤 (roll-to-roll) 방식에 의한 연속 생산 가능하여 생산성 향상을 도모할 수 있다.The membrane-electrode assembly of the present invention can be manufactured by using a porous polymer film with a thickness of 25㎛ or less as a substrate and filling the pores with a cation exchange resin, allowing continuous production by roll-to-roll method. It is possible to improve productivity.

또, 기재로 사용된 다공성 고분자 필름은 우수한 기계적 강도를 갖는 것이어서, 두께를 얇게 하여 전기적 저항을 현저히 낮출 수 있으면서, 충분한 기계적 물성을 확보할 수 있다. In addition, the porous polymer film used as a substrate has excellent mechanical strength, so by reducing the thickness, the electrical resistance can be significantly lowered, while sufficient mechanical properties can be secured.

나아가, 상이한 분자량을 갖는 2종 이상의 가교제를 혼합 사용함으로써 가교밀도를 높일 수 있어, 화학적 및 물리적 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.Furthermore, cross-linking density can be increased by mixing two or more cross-linking agents with different molecular weights, thereby greatly improving chemical and physical stability.

부가적으로, Nafion 용액을 표면에 분사 코팅함으로써 탄화수소계 양이온교환막의 내구성을 향상시킬 수 있다.Additionally, the durability of the hydrocarbon-based cation exchange membrane can be improved by spraying and coating the Nafion solution on the surface.

도 1은 정전류 조건에서의 수소수 농도 변화를 측정하고, 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 정전류 조건에서의 수소수 생산시 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
Figure 1 is a graph showing the results of measuring the change in hydrogen concentration under constant current conditions.
Figure 2 is a graph showing the voltage change during hydrogen water production under constant current conditions.

본 발명은 세공충진 양이온교환막을 이용하여 막-전극 접합체를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 막-전극 접합체를 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a method for manufacturing a membrane-electrode assembly using a pore-filling cation exchange membrane and a membrane-electrode assembly produced thereby.

본 발명에 의해 제공되는 막-전극 접합체는 세공충진 양이온교환막을 제조하고, 그 표면 및 세공 내에 촉매를 도입함으로써 제조할 수 있다. 이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.The membrane-electrode assembly provided by the present invention can be manufactured by manufacturing a pore-filling cation exchange membrane and introducing a catalyst into its surface and pores. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

먼저, 본 발명의 세공충진 양이온교환막의 제조방법에 대하여 설명한다.First, the manufacturing method of the pore-filling cation exchange membrane of the present invention will be described.

본 발명의 세공충진 양이온교환막은 다공성 고분자 필름을 기재로 사용한다. 다공성 고분자 필름을 기재로 사용함으로써 롤투롤 방식에 의해 세공충진 양이온교환막을 제조할 수 있어, 생산성 향상을 도모할 수 있어 바람직하다. The pore-filling cation exchange membrane of the present invention uses a porous polymer film as a substrate. By using a porous polymer film as a substrate, a pore-filling cation exchange membrane can be manufactured by a roll-to-roll method, which is preferable because it can improve productivity.

상기 다공성 고분자 필름은 특별히 한정하지 않으며, 이온교환막 제조에 사용되는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 사용될 수 있다.The porous polymer film is not particularly limited, and any film that is used to manufacture an ion exchange membrane can be suitably used in the present invention.

상기 다공성 고분자 필름으로는 예를 들어, LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), PE(Polyethylene)계 공중합체, PP(Polypropylene), EVA(Ethylene Vinyl Alcohol), EOR(Ethylene Octene Rubber)를 들 수 있다.The porous polymer film includes, for example, LLDPE (Linear Low Density Polyethylene), LDPE (Low Density Polyethylene), PE (Polyethylene)-based copolymer, PP (Polypropylene), EVA (Ethylene Vinyl Alcohol), and EOR (Ethylene Octene Rubber). ) can be mentioned.

상기 다공성 고분자 필름은 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만 두께가 25㎛ 이하의 것을 사용할 수 있다. 이와 같이 박막의 필름을 사용하더라도, 기재로 사용되는 다공성 고분자 필름은 충분한 기계적 물성을 제공할 수 있어, 본 발명의 막-전극 접합체로서 유효하게 기능할 수 있다. 또한, 두께가 얇아, 막-전극 접합체 제조에 사용되는 소재의 사용량을 줄일 수 있어, 제조 원가 절감에도 바람직하다.The porous polymer film is not necessarily limited to this, but may have a thickness of 25㎛ or less. Even if a thin film is used in this way, the porous polymer film used as a substrate can provide sufficient mechanical properties and function effectively as a membrane-electrode assembly of the present invention. In addition, because the thickness is thin, the amount of material used in manufacturing the membrane-electrode assembly can be reduced, which is also desirable for reducing manufacturing costs.

상기 다공성 고분자 필름의 두께가 25㎛를 초과하는 경우에는 막의 전기적 저항이 증가하게 되는 문제가 발생할 수 있다.If the thickness of the porous polymer film exceeds 25㎛, a problem may occur in which the electrical resistance of the membrane increases.

상기 다공성 고분자 필름의 두께는 25㎛ 이하의 박막이라면 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 5㎛ 이상, 예를 들어, 7㎛ 이상, 8㎛ 이상, 10㎛ 이상의 두께를 갖는 것을 사용할 수 있다.The thickness of the porous polymer film is not particularly limited as long as it is a thin film of 25 ㎛ or less, but preferably has a thickness of 5 ㎛ or more, for example, 7 ㎛ or more, 8 ㎛ or more, or 10 ㎛ or more.

상기 다공성 고분자 필름은 용매로 세척한 후에 사용할 수 있다. 상기 세척은 30분 내지 5시간 동안 수행할 수 있다. 상기 세척은 다공성 고분자 필름 표면의 불순물을 제거하기 위한 것으로서 단량체의 세공 침투에 영향을 미치는 불순물을 제거하는 것이 바람직하다. 이와 같은 세척에 사용될 수 있는 용매로는 특별히 한정하지 않으며, 극성용매를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 아세톤, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), 아세토니트릴(acetonitrile), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol) 등을 들 수 있다. 이 중, 휘발성 및 극성을 고려할 때 아세톤이 가장 적합하다.The porous polymer film can be used after being washed with a solvent. The washing can be performed for 30 minutes to 5 hours. The washing is to remove impurities on the surface of the porous polymer film, and it is desirable to remove impurities that affect pore penetration of monomers. The solvent that can be used for such cleaning is not particularly limited, and polar solvents can be used, such as acetone, dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), acetonitrile, and methanol ( methanol), ethanol, etc. Among these, acetone is most suitable considering its volatility and polarity.

상기 세척 시간은 30분 이상이면 특별히 한정하지 않으나, 공정 경제의 측면에서 5시간 이하로 수행하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 30분 내지 3시간일 수 있다. 상기 세척 후에 다공성 고분자 필름을 건조한다.The washing time is not particularly limited as long as it is 30 minutes or more, but is preferably performed for 5 hours or less from the viewpoint of process economy. More preferably, it may be 30 minutes to 3 hours. After the washing, the porous polymer film is dried.

본 발명은 상기 다공성 고분자 필름의 세공 내에 양이온교환수지가 충진된다. 상기 양이온교환수지의 충진을 위해, 상기 다공성 고분자 필름을 양이온교환수지의 중합을 위한 원료 용액에 담지하여 상기 원료용액을 세공 내로 충진하는 단계를 포함한다.In the present invention, a cation exchange resin is filled in the pores of the porous polymer film. In order to fill the cation exchange resin, the method includes the step of supporting the porous polymer film in a raw material solution for polymerization of the cation exchange resin and filling the raw material solution into the pores.

상기 원료용액은 단량체, 가교제 및 개시제를 포함하는 혼합 용액으로서, 상기 혼합 용액에 상기 다공성 고분자 필름을 함침하여 세공 내료 원료용액을 충진하고, 가교중합 반응시킴으로써 세공 내에 양이온교환수지를 충진할 수 있다.The raw material solution is a mixed solution containing a monomer, a cross-linking agent, and an initiator. The mixed solution is impregnated with the porous polymer film to fill the pore material raw material solution, and then subjected to a cross-linking polymerization reaction to fill the pores with a cation exchange resin.

상기 단량체는 중합에 의해 양이온교환수지를 형성하는 주재료로서, 스티렌, N-페닐아크릴아미드(N-Phenylacrylamide), N-(트리페닐메틸)메타크릴아미드(N-(Triphenylmethyl)methacrylamide), 에틸렌글리콜 페닐에테르 아크릴레이트(Ethylene glycol phenyl ether acrylate), 2-히드록시-3-페녹시프로필 아크릴레이트(2-Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate), 2-술포에틸 메타크릴레이트(2-sulfoethyl methacrylate) 및 3-술포프로필 메타크릴레이트(3-sulfopropyl methacrylate) 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2 이상 혼합하여 사용할 수 있다.The monomer is the main material for forming a cation exchange resin by polymerization, and includes styrene, N-phenylacrylamide, N-(triphenylmethyl)methacrylamide, and ethylene glycol phenyl. Ethylene glycol phenyl ether acrylate, 2-Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate, 2-sulfoethyl methacrylate and 3- Examples include sulfopropyl methacrylate (3-sulfopropyl methacrylate), which can be used alone or in combination of two or more.

상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 하이드록시피발릭산 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트, 트리플로필렌글리콜 디아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리시클로데칸 디메탄올 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 글리세린 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트 및 트리스(2-하이드록시에틸)이소시아누레이트 트리아크릴레이트 등을 사용할 수 있다. The crosslinking agent is divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol diacrylate, hydroxypivalic acid neo. Pentyl glycol diacrylate, tripropylene glycol diacrylate, dipropylene glycol diacrylate, triethylene glycol diacrylate, tricyclodecane dimethanol diacrylate, trimethylolpropane triacrylate, glycerin triacrylate, trimethyl Allpropane triacrylate and tris(2-hydroxyethyl)isocyanurate triacrylate can be used.

이때, 상기 가교제는 막-전극 접합체의 화학적 및 물리적 내구성을 향상시키기 위해 2 이상의 가교제를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 상기 2 이상의 가교제는 분자량이 서로 다른 가교제를 사용하는 것이 고분자 사슬 간의 거리 및 자유체적이 적절하게 조절되어 이온 전달 저항을 감소시키는 효과를 제공한다.At this time, it is preferable to use a mixture of two or more crosslinking agents to improve the chemical and physical durability of the membrane-electrode assembly. More preferably, the use of two or more crosslinking agents with different molecular weights provides the effect of reducing ion transfer resistance by appropriately controlling the distance and free volume between polymer chains.

예를 들어, 가교제로서, 디비닐벤젠(중량평균분자량 130.19), 에틸렌글리콜디메타크릴레이트(중량평균분자량 198.22), 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트(중량평균분자량 226.27), 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트(중량평균분자량 254.32)의 4종을 혼합 사용한 경우, 가교 구조를 나타내면 다음과 같다.For example, as a crosslinking agent, divinylbenzene (weight average molecular weight 130.19), ethylene glycol dimethacrylate (weight average molecular weight 198.22), 1,3-butanediol dimethacrylate (weight average molecular weight 226.27), 1,6- When a mixture of four types of hexanediol dimethacrylate (weight average molecular weight 254.32) is used, the crosslinked structure is as follows.

Figure 112017129901521-pat00001
Figure 112017129901521-pat00001

이와 같이, 분자량이 상이한 2 이상의 가교제를 혼합하여 사용함으로써 고분자의 가교 밀도가 좀 더 치밀하게 형성할 수 있다. 즉, 고분자 사슬 간 길이가 먼 곳과 가까운 곳을 동시에 효과적으로 가교시킴으로써 가교 밀도를 높이고, 또한 고분자 사슬간의 간격을 넓혀주는 효과가 있어 이온전도도를 향상시킬 수 있다. In this way, by using a mixture of two or more crosslinking agents with different molecular weights, the crosslinking density of the polymer can be formed more densely. In other words, it increases the crosslinking density by effectively crosslinking both long and short polymer chains at the same time, and also has the effect of widening the spacing between polymer chains, thereby improving ionic conductivity.

일 예로서, 상기한 바와 같은 4종의 가교제를 사용하는 경우에는 이에 한정하는 것은 아니지만, 가교제 전체 100중량%에 대하여 디비닐벤젠 60 내지 90중량%, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 3 내지 15중량%, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트 3 내지 15중량% 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트 3 내지 15중량%의 함량으로 혼합하여 사용할 수 있다. As an example, in the case of using the four types of crosslinking agents as described above, but not limited to this, 60 to 90% by weight of divinylbenzene and 3 to 15% by weight of ethylene glycol dimethacrylate based on 100% by weight of the total crosslinking agent. , can be used by mixing 1,3-butanediol dimethacrylate in an amount of 3 to 15% by weight and 1,6-hexanediol dimethacrylate in an amount of 3 to 15% by weight.

상기 가교제는 단량체와 가교제의 합계 중량 100%에 대하여 10 내지 30중량%의 함량으로 포함할 수 있다. 10중량% 미만으로 포함하는 경우에는 물리적 및 화학적 내구성이 저하되는 문제가 있으며, 30중량%를 초과하는 경우에는 이온전도도의 감소 등의 문제가 있다. The crosslinking agent may be included in an amount of 10 to 30% by weight based on 100% of the total weight of the monomer and crosslinking agent. If it is contained in less than 10% by weight, there is a problem that physical and chemical durability is reduced, and if it is contained in more than 30% by weight, there is a problem such as a decrease in ionic conductivity.

상기 단량체와 가교제의 가교중합반응은 광개시 또는 열개시에 의해 수행할 수 있다. 이를 위해 반응개시제를 포함하는데, 상기 반응개시제로는 광개시제 또는 열개시제를 사용할 수 있다.The crosslinking polymerization reaction between the monomer and the crosslinking agent can be performed by photoinitiation or thermal initiation. For this purpose, a reaction initiator is included, and the reaction initiator may be a photoinitiator or a thermal initiator.

상기 광개시제로는 벤조페논, 벤질디메틸케탈, 1,2-디페닐 에탄디온, 하이드록실디메틸아세토폰 및 α-하이드록시사이클로헥실페닐메타논을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.The photoinitiators include benzophenone, benzyldimethylketal, 1,2-diphenyl ethanedione, hydroxydimethylacetopone, and α-hydroxycyclohexylphenylmethanone, which can be used alone or in a mixture of two or more types. You can also use it.

한편, 상기 열개시제로는 벤조일 퍼옥사이드, 과산화벤조일, 아조비스이소부티로니트릴, 아조메탄 및 아조이소프로판을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.Meanwhile, the thermal initiator includes benzoyl peroxide, benzoyl peroxide, azobisisobutyronitrile, azomethane, and azoisopropane, and these may be used alone or in combination of two or more.

상기 반응개시제는 단량체 100중량부에 대하여 1 내지 5중량%의 범위로 사용할 수 있다. 1중량% 미만인 경우에는 중합 반응이 충분히 일어나지 않는 문제가 있으며, 5중량%를 초과하는 경우에는 개시효율 저하 및 미반응 개시제의 잔존 등의 문제가 있다. The reaction initiator can be used in an amount of 1 to 5% by weight based on 100 parts by weight of monomer. If it is less than 1% by weight, there is a problem that the polymerization reaction does not sufficiently occur, and if it is more than 5% by weight, there are problems such as reduced initiation efficiency and residual unreacted initiator.

상기한 바와 같이, 다공성 고분자 필름을 상기 혼합 용액에 함침하여 충진 한 후 가교 중합반응시킴으로써 세공충진 양이온 교환막을 제조할 수 있다. 구체적으로, 이에 한정하는 것은 아니지만, 상기 다공성 고분자 필름에 단량체를 충진한 후 두 장의 이형 필름으로 다공성 고분자 필름을 협지하여 롤링을 통해 밀착시키고, 잉여의 단량체를 제거한 후, 두 장의 유리판으로 다공성 고분자 필름을 협지한 후 광중합 또는 열중합할 수 있다. As described above, a pore-filling cation exchange membrane can be manufactured by impregnating and filling a porous polymer film with the mixed solution and then subjecting it to a cross-linking polymerization reaction. Specifically, but not limited to this, after filling the porous polymer film with a monomer, the porous polymer film is sandwiched between two release films and brought into close contact through rolling, and after removing the excess monomer, the porous polymer film is formed using two sheets of glass. After clamping, light or heat polymerization can be performed.

상기 광중합 및 열중합의 조건을 특별히 한정하지 않으나, 광중합의 경우에는 상온에서 1kW급 UV 광원 기준 1 내지 10분 동안 수행할 수 있으며, 열중합은 60 내지 90℃의 온도범위에서 1 내지 5시간 동안 수행할 수 있다.The conditions for the photopolymerization and thermal polymerization are not particularly limited, but photopolymerization can be performed at room temperature for 1 to 10 minutes based on a 1kW UV light source, and thermal polymerization is performed for 1 to 5 hours at a temperature range of 60 to 90°C. can do.

상기 중합함에 있어서는 산소와의 접촉 및 단량체의 유실을 방지하기 위해 다공성 고분자 필름 양면에 위치하는 이형 필름 및 유리판의 가장자리를 캡톤 테이프 등으로 실링하여 중합하는 것이 바람직하다.In the polymerization, it is preferable to seal the edges of the release film and glass plate on both sides of the porous polymer film with Kapton tape or the like to prevent contact with oxygen and loss of monomers.

이에 의해 세공 내에 고분자가 충진된 다공성 고분자 필름을 얻을 수 있으며, 상기 다공성 고분자 필름의 세공 내에 충진된 고분자에 양이온교환기를 도입하는 단계를 포함한다. As a result, a porous polymer film filled with polymers in the pores can be obtained, and includes the step of introducing a cation exchange group into the polymer filled in the pores of the porous polymer film.

상기 양이온교환기는 수소수의 제조를 위해 도입되는 것으로서, 상기 양이온교환기로는 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H) 등일 수 있다. 이들 양이온 교환기는 어느 하나일 수 있음은 물론, 2종 이상일 수 있다. The cation exchange group is introduced for the production of hydrogen water, and the cation exchange group is not particularly limited, for example, a sulfonic acid group (-SO 3 H), a carboxyl group (-COOH), a phosphonic group (-PO 3 H 2 ), phosphinic group (-HPO 2 H), asonic group (-AsO 3 H 2 ), selinonic group (-SeO 3 H), etc. These cation exchange groups may be any one, as well as two or more types.

상기 양이온교환기를 갖는 화합물을 유기용매에 녹인 후 상기 세공 내에 폴리머가 충진된 다공성 고분자 필름을 함침함으로써 양이온교환기를 상기 폴리머 내에 도입할 수 있다. 상기 양이온교환기의 도입 반응은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 30 내지 60℃의 온도조건에서 3 내지 15시간 동안 함침함으로써 수행할 수 있다.The cation exchange group can be introduced into the polymer by dissolving the compound having the cation exchange group in an organic solvent and then impregnating the pores with a porous polymer film filled with the polymer. The introduction reaction of the cation exchange group is not particularly limited, but can be performed, for example, by impregnation at a temperature of 30 to 60°C for 3 to 15 hours.

이에 의해 세공 내에 양이온교환 수지가 도입된 세공충진 양이온교환막을 얻을 수 있다. 상기 세공충진 양이온교환막에 대하여는 필요에 따라 나피온(Nafion) 용액을 표면에 분사할 수 있다. 이에 의해 탄화수소계 양이온교환막의 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.As a result, it is possible to obtain a pore-filling cation exchange membrane in which a cation exchange resin is introduced into the pores. For the pore-filling cation exchange membrane, Nafion solution can be sprayed on the surface as needed. As a result, the durability of the hydrocarbon-based cation exchange membrane can be further improved.

상기 세공충진 양이온교환막에 금속을 도입하여 표면에 전극층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 전극층은 슬러리코팅 또는 전해 도금 등에 의해서도 형성할 수 있으나, 본 발명에서는 무전해 도금, 특히, 비평형-함침/환원법을 적용하여 전극층을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 비평형-함침/환원법에 의해 전극층을 형성하는 경우에는 양이온교환막의 표면에는 물론, 다공성 고분자 필름의 세공 내에도 금속이 도입되어 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 수소수 생성 효율을 향상시킬 수 있어 바람직하다.It includes the step of introducing a metal into the pore-filling cation exchange membrane to form an electrode layer on the surface. The electrode layer can be formed by slurry coating or electrolytic plating, but in the present invention, it is preferable to form the electrode layer by applying electroless plating, especially non-equilibrium-impregnation/reduction method. When forming an electrode layer by the non-equilibrium-impregnation/reduction method, metal is introduced into the surface of the cation exchange membrane as well as into the pores of the porous polymer film to improve electrochemical properties, thereby improving hydrogen water generation efficiency. It is desirable because it can be done.

이를 위해서는 먼저, 세공충진 양이온교환막을 황산 수용액에 함침하여 증류수로 세척하여 건조하는 단계를 포함한다. 상기 황산 수용액에 침지하는 단계는 특별히 한정하지 않으나, 세공충진 양이온교환막은 0.5M 이상, 보다 바람직하게는 1M 이상, 그리고, 2M 이하, 보다 바람직하게는 1.5M 이하의 황산 수용액에 1시간 이상, 바람직하게는 6시간 이상, 그리고, 바람직하게는 15시간 이하, 12시간 이하, 보다 바람직하게는 10시간 이하 함침시킴으로써 수행할 수 있다.This first involves impregnating the pore-filling cation exchange membrane with an aqueous sulfuric acid solution, washing it with distilled water, and drying it. The step of immersing in the sulfuric acid aqueous solution is not particularly limited, but the pore-filling cation exchange membrane is immersed in an aqueous sulfuric acid solution of 0.5M or more, more preferably 1M or more, and 2M or less, more preferably 1.5M or less, for 1 hour or more. This can be performed by impregnating for at least 6 hours, preferably for 15 hours or less, 12 hours or less, and more preferably for 10 hours or less.

그 후, 상기 전극층 형성용 금속 성분을 포함하는 전구체 용액에 상기 세공충진 양이온교환막을 함침함으로써 금속이온을 도입할 수 있다. 상기 전극층은 상기 금속 성분을 포함하는 전구체 용액에 상기 세공충진 양이온교환막을 함침함으로써 금속이온을 도입할 수 있다. 상기 금속이온은 양이온교환막의 표면 및 세공 내에 도입되며, 상기 금속 이온은 양이온교환막의 양이온교환기에 치환되어 도입된다.Thereafter, metal ions can be introduced by impregnating the pore-filling cation exchange membrane with the precursor solution containing the metal component for forming the electrode layer. The electrode layer can introduce metal ions by impregnating the pore-filling cation exchange membrane with a precursor solution containing the metal component. The metal ion is introduced into the surface and pores of the cation exchange membrane, and the metal ion is introduced by being replaced by a cation exchange group of the cation exchange membrane.

전극층 형성용 금속 전구체는 메탄올과 물, 바람직하게는 메탄올 또는 에탄올과 물을 1:2 내지 1:5, 보다 바람직하게는 1:2 내지 1:3의 혼합 용매에 전극층 형성용 금속 전구체를 용해하는 단계를 포함한다. 상기 전극층 형성용 금속 전구체는 0.1 내지 0.7mM, 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.5mM, 더욱 더 바람직하게는 0.2 내지 0.5mM의 농도로 용해하는 것이 바람직하다.The metal precursor for forming the electrode layer is dissolved in a mixed solvent of methanol and water, preferably methanol or ethanol and water of 1:2 to 1:5, more preferably 1:2 to 1:3. Includes steps. The metal precursor for forming the electrode layer is preferably dissolved at a concentration of 0.1 to 0.7mM, more preferably 0.1 to 0.5mM, and even more preferably 0.2 to 0.5mM.

상기 전극층 형성을 위한 금속으로는 이에 한정하지 않으며, 전극으로서 기능할 수 있는 것이라면 적합하게 사용될 수 있다. 예를 들면, 백금, 루테늄, 백금과 루테늄의 혼합금속 등을 들 수 있으며, 백금을 사용하는 것이 보다 바람직하다. The metal for forming the electrode layer is not limited to this, and any metal that can function as an electrode can be suitably used. Examples include platinum, ruthenium, and mixed metals of platinum and ruthenium, and it is more preferable to use platinum.

상기 세공충진 양이온교환막을 전극층 형성용 금속 전구체 용액에 함침하는 것은 20분 내지 1시간, 보다 바람직하게는 30분 내지 1시간 동안 함침하는 것이 바람직하다. 이와 같은 함침에 의해 전극층 형성용 금속이 세공충진 이온교환막 내부로 확산 및 이온교환된다.The pore-filling cation exchange membrane is preferably impregnated with the metal precursor solution for forming the electrode layer for 20 minutes to 1 hour, more preferably 30 minutes to 1 hour. Through this impregnation, the metal for forming the electrode layer diffuses and ion-exchanges into the pore-filling ion exchange membrane.

상기 세공충진 이온교환막을 함침하는 용액의 금속 농도 및 함침시간이 상기 범위 미만인 경우에는 물 분해가 충분히 일어나지 않아 수소수 생성 효율이 저하하며, 과도한 경우에는 저항이 증가하여 바람직하지 않다.If the metal concentration and impregnation time of the solution impregnating the pore-filling ion exchange membrane are less than the above range, water decomposition does not occur sufficiently and the efficiency of hydrogen water production decreases, and if it is excessive, resistance increases, which is not desirable.

상기 양이온교환막에 도입된 금속이온을 환원함으로써 촉매층을 형성할 수 있다. 상기 환원은 금속이온이 도입된 양이온교환막을 환원제 용액에 함침함으로써 수행할 수 있다. 구체적으로, 양이온교환막의 표면에 치환된 금속 이온이 환원제와 먼저 접촉하여 화학적 환원에 의해 환원되고, 이어서, 양이온교환막의 세공 내로 침투하여 치환된 금속이온은 세공 내에 금속 결정 핵착점이 형성되면서 비전해적 환원에 의해 환원된다.A catalyst layer can be formed by reducing metal ions introduced into the cation exchange membrane. The reduction can be performed by impregnating the cation exchange membrane into which metal ions are introduced with a reducing agent solution. Specifically, the substituted metal ion on the surface of the cation exchange membrane first contacts a reducing agent and is reduced by chemical reduction, and then penetrates into the pores of the cation exchange membrane, and the substituted metal ion forms a metal crystal nucleation point within the pore and becomes non-electrolytic. It is reduced by reduction.

상기 환원을 위하여는 상온(25℃) 내지 60℃, 보다 바람직하게는 30 내지 50℃의 온도범위를 갖는 pH 11 내지 14, 보다 바람직하게는 pH 12 내지 14의 알칼리 수용액에 NaBH4 및 LiAlH4 등을 용해하여 환원용액을 제조하고, 상기 환원용액에 상기 금속이온이 도입된 세공충진 이온교환막을 함침함으로써 수행할 수 있다.For the reduction, NaBH 4 is added to an aqueous alkaline solution of pH 11 to 14, more preferably pH 12 to 14, with a temperature range of room temperature (25°C) to 60°C, more preferably 30 to 50°C. and LiAlH 4 to prepare a reducing solution, and impregnating the reducing solution with a pore-filling ion exchange membrane introduced with the metal ion.

상기 환원용액에 함침하는 시간은 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 30분 내지 10시간, 30분 내지 7시간, 30분 내지 5시간, 45분 내지 3시간 동안 수행할 수 있다. 30분 미만으로 함침하는 경우에는 도입된 금속이온의 환원이 충분하지 않으며, 10시간을 초과하는 경우에는 추가적인 환원 효과를 얻을 수 없다.The immersion time in the reducing solution is not limited to this, but can be, for example, 30 minutes to 10 hours, 30 minutes to 7 hours, 30 minutes to 5 hours, or 45 minutes to 3 hours. If the impregnation is less than 30 minutes, the reduction of the introduced metal ions is not sufficient, and if the impregnation is more than 10 hours, no additional reduction effect can be obtained.

이에 의해 금속에 의한 전극층이 형성된 막-전극 접합체를 얻을 수 있으며, 이후, 추가적으로 막-전극 접합체를 황산수용액에 30분 이상, 바람직하게는 1시간 이상, 그리고, 5시간 이하, 보다 바람직하게는 3시간 이하 동안 함침한 후 증류수로 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다.As a result, a membrane-electrode assembly with a metal electrode layer can be obtained. Afterwards, the membrane-electrode assembly is additionally soaked in an aqueous sulfuric acid solution for at least 30 minutes, preferably at least 1 hour, and at most 5 hours, more preferably at least 3 hours. The step of impregnating for less than an hour and then washing with distilled water may be further included.

예를 들어, 상기 전극층 형성을 위한 금속이 Pt이고, 환원제가 NaBH4인 경우, Pt 양이온이 도입된 양이온교환막을 환원제 용액에 함침하면 양이온교환막의 표면에 치환된 Pt 이온은 다음 반응식과 같은 화학적 환원반응에 의해 환원된다.For example, when the metal for forming the electrode layer is Pt and the reducing agent is NaBH 4 , when the cation exchange membrane into which Pt cations are introduced is impregnated with a reducing agent solution, the Pt ions substituted on the surface of the cation exchange membrane are chemically reduced as shown in the following reaction formula: It is reduced by reaction.

BH4 - + 8OH- + 4Pt(II) → H2BO3 - + 5H2O + 4Pt(0) BH 4 - + 8OH - + 4Pt(II) → H 2 BO 3 - + 5H 2 O + 4Pt(0)

이어서, 양이온교환막의 세공 내에 치환된 Pt 이온은 다음과 같은 반응에 의해 환원된다.Subsequently, the substituted Pt ions in the pores of the cation exchange membrane are reduced by the following reaction.

BH4 - + 8OH- → H2BO3 - + 5H2O + 8e- BH 4 - + 8OH - → H 2 BO 3 - + 5H 2 O + 8e -

8e- + 4Pt(II) → 4Pt (0) 8e - + 4Pt(II) → 4Pt (0)

이와 같은 비평형-함침/환원법에 의해 양이온교환막의 표면에 전극을 도입할 수 있으며, 이에 의해 막-전극 접합체를 제조할 수 있다. 본 발명에 의해 얻어지는 막전극 접합체는 수소수 생산에 적합하게 사용할 수 있다.By this non-equilibrium-impregnation/reduction method, electrodes can be introduced to the surface of the cation exchange membrane, thereby producing a membrane-electrode assembly. The membrane electrode assembly obtained by the present invention can be suitably used for hydrogen water production.

본 발명에 의해 제공되는 막-전극 접합체는 얇으면서도 강한 물리적 강도를 가지고 있으며, 두께가 얇아 우수한 전기적 성능을 제공할 수 있다. 또한, 종래의 나피온 기반의 막-전극 접합체와 비교하여 제조 단가를 현저히 낮출 수 있으면서도 동등 수준의 성능을 제공할 수 있다.The membrane-electrode assembly provided by the present invention is thin yet has strong physical strength, and can provide excellent electrical performance due to its thin thickness. In addition, compared to the conventional Nafion-based membrane-electrode assembly, the manufacturing cost can be significantly reduced while providing equivalent performance.

실시예Example

이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 이하에서 제공되는 실시에는 본 발명을 실시하는 하나의 구체적인 예시로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. The implementation provided below is a specific example of carrying out the present invention, and is not intended to limit the present invention.

실시예 1 내지 5Examples 1 to 5

1. 세공충진 양이온 교환막의 제조 1. Preparation of pore-filling cation exchange membrane

다공성 고분자 필름으로서, 폴리에틸렌 다공성 필름(두께: 25㎛, W-Scope Korea Co. Ltd.)을 아세톤 용매에 3 시간 동안 세척하고 오븐에서 건조하였다.As a porous polymer film, a polyethylene porous film (thickness: 25㎛, W-Scope Korea Co. Ltd.) was washed in acetone solvent for 3 hours and dried in an oven.

중합을 위한 단량체로 스티렌(styrene, Sty) 80 중량부 및 가교제 20중량부를 혼합하여 사용하였다. 상기 가교제로는 분자량이 상이한 디비닐벤젠(DVB), 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA), 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트(BDDMA) 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트(HDDMA)를 표 1에 나타낸 바와 같이 중량비를 달리하여 사용하였다.As a monomer for polymerization, 80 parts by weight of styrene (Sty) and 20 parts by weight of crosslinking agent were mixed and used. The crosslinking agents include divinylbenzene (DVB), ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA), 1,3-butanediol dimethacrylate (BDDMA), and 1,6-hexanediol dimethacrylate (HDDMA) with different molecular weights. were used at different weight ratios as shown in Table 1.

중합개시제로는 벤조일 퍼옥사이드(benzoyl peroxide, BPO) 열중합개시제를 상기 단량체 중량에 대하여 2중량부로 사용하였다.As a polymerization initiator, benzoyl peroxide (BPO) thermal polymerization initiator was used in an amount of 2 parts by weight based on the weight of the monomer.

상기 단량체, 가교제 및 광개시제를 혼합하여 단량체 용액을 제조하였다. A monomer solution was prepared by mixing the monomer, cross-linking agent, and photoinitiator.

상기 세척된 다공성 필름을 상기 단량체 용액에 함침시켜 다공성 필름의 세공 내에 단량체를 충진하였다. The washed porous film was impregnated with the monomer solution to fill the pores of the porous film with monomer.

상기 세공 내에 단량체가 충진된 다공성 필름을 두 장의 이형필름으로 협지하고, 롤링을 통해 밀착시킨 후 잉여의 모노머를 제거하였다.The porous film filled with monomers in the pores was sandwiched between two sheets of release film, brought into close contact through rolling, and excess monomer was removed.

이후 다시 세공 내에 단량체가 충진된 상기 다공성 필름을 두 장의 유리판 사이에 삽입한 후 산소와의 접촉 및 모노머의 유실을 방지하고자 캡톤 테이프로 실링하고, 80℃에서 3시간 동안 열중합을 수행하였다. Afterwards, the porous film filled with monomers in the pores was inserted between two glass plates, sealed with Kapton tape to prevent contact with oxygen and loss of monomers, and thermal polymerization was performed at 80°C for 3 hours.

상기 열중합 후에, 클로로술폰산(chlorofulfonic acid) 20중량부를 디클로로벤젠(dichlorobenzene)에 녹인 35℃의 용액에 상기 다공성 필름을 함침시켜 술폰화 반응을 12시간 동안 수행하였다. After the thermal polymerization, the porous film was impregnated in a solution of 20 parts by weight of chlorosulfonic acid dissolved in dichlorobenzene at 35°C, and the sulfonation reaction was performed for 12 hours.

이어서 최종적으로 디클로로벤젠과 증류수를 이용하여 순차적으로 세척하여 세공충진 양이온교환막(이온교환막 1 내지 5)을 제조한 후, 0.5M NaCl 용액에 함침하여 보관하였다. Finally, pore-filling cation exchange membranes (ion exchange membranes 1 to 5) were prepared by sequentially washing them with dichlorobenzene and distilled water, and then impregnated with 0.5 M NaCl solution and stored.

상기 제조된 양이온 교환막 1 내지 5를 1M 황산 수용액에 6시간 함침시킨 후에 증류수로 세척하고 건조하였다. The prepared cation exchange membranes 1 to 5 were immersed in 1M sulfuric acid aqueous solution for 6 hours, then washed with distilled water and dried.

그 후 메탄올과 물을 1:3의 부피비로 혼합한 용매에 Pt(II)(NH3)4Cl2(테트라-아민 플래티늄 클로라이드 하이드레이트, tetra-amine platinum chloride hydrate, 98%)를 0.3mM의 농도로 용해하여 용액을 만든 후, 그 용액 내에 상기 세정한 양이온 교환막을 40분 동안 함침시켜 백금 이온이 양이온 교환막의 내부로 확산 및 이온교환되도록 하였다.Afterwards, Pt(II)(NH 3 ) 4 Cl 2 (tetra-amine platinum chloride hydrate, 98%) was added to a solvent mixed with methanol and water at a volume ratio of 1:3 at a concentration of 0.3mM. After making a solution by dissolving it, the cleaned cation exchange membrane was impregnated in the solution for 40 minutes to allow platinum ions to diffuse and ion exchange into the inside of the cation exchange membrane.

이어 50℃로 예열된 pH 13의 알칼리 수용액에 NaBH4를 0.8M 농도로 용해하여 환원 용액을 제조하였다.Next, a reducing solution was prepared by dissolving NaBH 4 at a concentration of 0.8M in an alkaline aqueous solution of pH 13 preheated to 50°C.

상기 환원 용액 내에 백금 이온으로 치환된 상기 양이온 교환막을 함침시킨 후 2시간 동안 환원 반응에 의해 백금으로 환원하여 전극층을 형성함으로써 막-전극 접합체를 제조하였다. A membrane-electrode assembly was prepared by impregnating the cation exchange membrane substituted with platinum ions in the reducing solution and then reducing it to platinum through a reduction reaction for 2 hours to form an electrode layer.

상기 제조된 막-전극 접합체를 0.5M의 황산 수용액에 2시간 동안 함침시킨 후 증류수로 세척하였다(막-전극 접합체 1 내지 5). The prepared membrane-electrode assembly was immersed in a 0.5 M aqueous sulfuric acid solution for 2 hours and then washed with distilled water (Membrane-electrode assemblies 1 to 5).

실시예 6Example 6

실시예 5의 세공충진 양이온교환막을 80℃로 가열된 핫플레이트에 밀착시킨 후, 스프레이 건을 이용하여 5중량%의 Nafion(in IPA, D521, DuPont) 용액을 1mg/㎠의 로딩량으로 분사하여 세공충진 양이온교환막 표면에 나피온을 코팅하여, 세공충진 양이온교환막(이온교환막 6)을 제조하였다.After the pore-filling cation exchange membrane of Example 5 was brought into close contact with a hot plate heated to 80°C, 5% by weight of Nafion (in IPA, D521, DuPont) solution was sprayed at a loading amount of 1 mg/cm2 using a spray gun. Nafion was coated on the surface of the pore-filling cation exchange membrane to prepare a pore-filling cation exchange membrane (ion exchange membrane 6).

상기 나피온 코팅된 세공충진 양이온교환막을 80℃의 건조 오븐에서 1시간 동안 건조하였다. The Nafion-coated pore-filling cation exchange membrane was dried in a drying oven at 80°C for 1 hour.

이후, 한 면이 건조된 후 반대 면에 대하여도 동일한 조건으로 나피온 코팅을 수행하였다. Afterwards, after one side was dried, Nafion coating was performed on the other side under the same conditions.

이어서, 상기 양이온 교환막에 대하여 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 막-전극 집합체를 제조하였다(막-전극 접합체 6).Next, a membrane-electrode assembly was prepared for the cation exchange membrane by the same method as Example 1 (membrane-electrode assembly 6).

비교예 1Comparative Example 1

상용 양이온교환 막인 DuPont사의 Nafion 117에 대하여 실시예 1과 동일한 방법으로 백금에 의한 전극층을 형성하여 막-전극 집합체를 제조하였다(막-전극 접합체 7).A membrane-electrode assembly was prepared by forming an electrode layer of platinum on Nafion 117 from DuPont, a commercial cation exchange membrane, in the same manner as in Example 1 (membrane-electrode assembly 7).

실험예Experiment example

1. 평가방법1. Evaluation method

(1) 멤브레인 특성 평가 (1) Evaluation of membrane properties

양이온교환 막의 이온교환용량(ion-exchange capacity, IEC)은 전통적인 산-염기 적정을 통해 측정하였으며, 다음 식 (1)에 의해 계산하였다. The ion-exchange capacity ( IEC ) of the cation exchange membrane was measured through traditional acid-base titration and calculated using the following equation (1).

Figure 112017129901521-pat00003
(1)
Figure 112017129901521-pat00003
(One)

위 식에서 W dry memb 는 건조된 막의 질량이고, C는 적정용액의 농도이고, V는 적정을 위해 사용된 용액의 부피이다. In the above equation, W dry memb is the mass of the dried membrane, C is the concentration of the titrant solution, and V is the volume of the solution used for the titration.

함수율(water uptake, WU)은 막의 젖은 무게(W wet )와 건조 무게(W dry )를 측정하고, 식 (2)와 같이 계산하였다. The water content (water uptake, WU ) was calculated by measuring the wet weight ( W wet ) and dry weight ( W dry ) of the membrane and using equation (2).

Figure 112017129901521-pat00004
(2)
Figure 112017129901521-pat00004
(2)

막 전기저항(membrane electrical resistance, MER) 및 이온전도도(ion conductivity, σ)는 교류 임피던스 측정법을 통하여 다음과 같이 측정하였다. Membrane electrical resistance ( MER ) and ion conductivity (σ) were measured using alternating current impedance measurement as follows.

멤브레인을 0.5M NaCl 또는 0.5M HCl 전해질 용액에 충분히 함침시킨 후, 2-점 프로브(2-point probe) 클립 셀(clip cell)과 임피던스 분석기(impedance analyzer)가 포함된 가변전위기(potentiostat)/정전류기(galvanostat)를 연결하여 전기저항을 측정하고, 다음 식 (3) 및 (4)로부터 각각 MER 및 이온전도도를 산출하였다. After the membrane was sufficiently immersed in 0.5M NaCl or 0.5M HCl electrolyte solution, a potentiostat containing a 2-point probe clip cell and an impedance analyzer was used. Electrical resistance was measured by connecting a galvanostat, and MER and ionic conductivity were calculated from the following equations (3) and (4), respectively.

Figure 112017129901521-pat00005
(3)
Figure 112017129901521-pat00005
(3)

Figure 112017129901521-pat00006
(4)
Figure 112017129901521-pat00006
(4)

위 식 (3)에서 R1은 전해질과 막의 저항의 합을 나타내고, R2는 전해질 용액의 저항을 나타내며, Area는 막과 전극의 유효면적을 나타내고, 그리고, L은 막의 두께를 나타낸다. In the above equation (3), R 1 represents the sum of the resistance of the electrolyte and the membrane, R 2 represents the resistance of the electrolyte solution, Area represents the effective area of the membrane and electrode, and L represents the thickness of the membrane.

또한, 이온수송수(transport number, E m )는 2-컴파트먼트 디퓨젼 셀(2-compartment diffusion cell)을 이용한 emf 방법으로 측정하고, 다음 식 (5) 및 (6)에 의해 계산하였다. In addition, the ion transport number ( E m ) is calculated by emf using a 2-compartment diffusion cell. method and calculated using the following equations (5) and (6).

Figure 112017129901521-pat00007
(5)
Figure 112017129901521-pat00007
(5)

Figure 112017129901521-pat00008
(6)
Figure 112017129901521-pat00008
(6)

위 식에서, E m 은 측정된 셀 전위를 나타내며, R은 기체상수, T는 절대온도, F는 Faraday 상수이고. 또한, C L C H 는 NaCl 용액의 농도로서, 각각 1mM과 5mM로 테스트하였다. 상기 셀 전위(E m )는 한 쌍의 Ag/AgCl 전극을 디지털 전압계에 연결하여 측정하였다. In the above equation, E m represents the measured cell potential, R is the gas constant, T is the absolute temperature, and F is the Faraday constant. Additionally, C L and C H are the concentrations of the NaCl solution, which were tested at 1mM and 5mM, respectively. The cell potential ( E m ) was measured by connecting a pair of Ag/AgCl electrodes to a digital voltmeter.

제조된 양이온교환막의 인장강도는 universal testing machine (5567 model, Instron)을 이용하여 건조(dry) 및 젖은(wet) 조건에서 ASTM method D-882-79에 따라 측정하였다. The tensile strength of the manufactured cation exchange membrane was measured according to ASTM method D-882-79 under dry and wet conditions using a universal testing machine (5567 model, Instron).

이온교환막의 화학적 내구성은 다음과 같은 펜톤 산화 실험을 통해 평가하였다.The chemical durability of the ion exchange membrane was evaluated through the following Fenton oxidation test.

3중량% H2O2 및 2ppm FeSO4를 포함하는 수용액인 펜톤 시약을 제조한 후, 80℃로 온도를 유지하였다. 양이온교환막의 초기 무게를 측정한 후 상기 펜톤 시약에 양이온교환막을 함침시켰다. 시간에 따른 양이온교환막의 무게를 측정하고, 펜톤 산화 반응 전후의 무게 감소율을 구하였다. After preparing Fenton's reagent, which is an aqueous solution containing 3% by weight H 2 O 2 and 2 ppm FeSO 4 , the temperature was maintained at 80°C. After measuring the initial weight of the cation exchange membrane, the cation exchange membrane was impregnated with the Fenton reagent. The weight of the cation exchange membrane was measured over time, and the weight reduction rate before and after the Fenton oxidation reaction was determined.

(2) 수전해 특성 평가(수소수 생성) (2) Evaluation of water electrolysis characteristics (generation of hydrogen water)

수전해 특성 평가는 상온 및 정전류 조건 하에서 양극에서 생성되는 수소의 농도를 셀에 부착된 용존 수소 측정 장치를 이용하여 측정하였다. 음극과 양극 모두 티타늄 전극을 사용하였고, 전류 밀도는 0.02A/㎠로 고정하였다. 표 2에 수전해 특성 평가 조건을 나타내었다. To evaluate the water electrolysis characteristics, the concentration of hydrogen produced at the anode was measured under room temperature and constant current conditions using a dissolved hydrogen measuring device attached to the cell. Titanium electrodes were used for both the cathode and anode, and the current density was fixed at 0.02A/cm2. Table 2 shows the water electrolysis characteristics evaluation conditions.

2. 멤브레인 특성 평가 2. Evaluation of membrane properties

실시예 1 내지 6에서 제조된 막-전극 접합체 1 내지 6 및 비교예 1에서 제조된 막-전극 접합체 7의 전기화학적 특성을 상기한 바와 같은 방법으로 측정하고, 그 결과를 표 3에 나타내었다. The electrochemical properties of membrane-electrode assemblies 1 to 6 prepared in Examples 1 to 6 and membrane-electrode assemblies 7 prepared in Comparative Example 1 were measured in the same manner as described above, and the results are shown in Table 3.

상기 표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에 의해 얻어진 막-전극 접합체 1은 비교예 1의 나피온(Nafion)을 사용한 막-전극 접합체 7에 비하여 이온전도도가 열세인 결과를 나타내었다. 그러나, 실시예 1 내지 6의 막-전극 접합체 1 내지 6은 두께가 얇고 이온교환용량이 커서 매우 낮은 전기적 저항을 나타냄을 알 수 있었다.As can be seen from Table 3, the membrane-electrode assembly 1 obtained in Example 1 showed inferior ionic conductivity compared to the membrane-electrode assembly 7 using Nafion in Comparative Example 1. However, it was found that the membrane-electrode assemblies 1 to 6 of Examples 1 to 6 exhibited very low electrical resistance due to their thin thickness and large ion exchange capacity.

또한, 실시예 1 내지 6의 막-전극 접합체 1 내지 6은 높은 이온교환용량에도 불구하고 함수율은 상용막 대비 높지 않았는데, 이는 지지체인 폴리올레핀 다공성 고분자 필름이 물리적으로 세공에 충진된 이오노머(ionomer)의 과도한 팽윤을 방지해주고 있으며, 또한 가교도가 높기 때문으로 생각된다. In addition, despite the high ion exchange capacity of the membrane-electrode assemblies 1 to 6 of Examples 1 to 6, the water content was not high compared to the commercial membrane, which is due to the fact that the polyolefin porous polymer film as a support was physically filled with the ionomer in the pores. This is thought to be because it prevents excessive swelling and also has a high degree of cross-linking.

한편, 단일 가교제(DVB)를 사용한 경우인 실시예 1의 막-전극 접합체 1에 비하여 분자량이 상대적으로 큰 가교제를 혼합하여 사용한 경우 실시예 2 내지 6의 막-전극 접합체 2 내지 6에 있어서 막의 전기적 저항이 감소하고, 동시에 막의 이온수송수(transport number, 이온성택투과성)이 유지되는 결과를 나타내었다.On the other hand, compared to membrane-electrode assembly 1 of Example 1 in which a single cross-linking agent (DVB) was used, the electrical properties of the membrane in membrane-electrode assemblies 2 to 6 of Examples 2 to 6 when a cross-linking agent with a relatively large molecular weight was mixed were used. Resistance was reduced, and at the same time, the ion transport number (ion-sensitive permeability) of the membrane was maintained.

한편, 가교제의 함량을 증가시킬수록 소폭이지만 함수율의 증가를 확인할 수 있는데, 이는 분자량이 큰 가교제의 함량이 증가할수록 막의 자유체적(free volume)이 증가하였기 때문으로 해석할 수 있으며, 자유체적이 증가하여 막의 전기적 저항이 감소하는 경향을 나타내고, 동시에 가교구조의 최적화로 인해 이온교환막의 선택투과성도 유지됨을 확인할 수 있었다.On the other hand, as the content of the cross-linking agent increases, the moisture content increases, albeit slightly. This can be interpreted as the fact that the free volume of the membrane increases as the content of the cross-linking agent with a large molecular weight increases, and the free volume increases. As a result, the electrical resistance of the membrane tended to decrease, and at the same time, it was confirmed that the permeability of the ion exchange membrane was maintained due to optimization of the cross-linking structure.

한편, Nafion 분사코팅을 한 실시예 6의 막-전극 접합체 6의 경우, Nafion 코팅 층의 도입으로 인해 두께가 증가하였으며, 이로 인해 실시예 5의 막-전극 접합체 5와 비교하여 NaCl 용액에서의 전기적 저항이 다소 증가하는 경향을 나타내었으나 두께의 증가에도 불구하고 HCl 용액에서의 전기적 저항은 실시예 5의 막-전극 접합체 5와 동일 수준을 나타내었다. 이는 수소이온에 대한 전도도가 높은 나피온의 특성이 표면 코팅을 통해 발현된 것으로 해석할 수 있다. Meanwhile, in the case of membrane-electrode assembly 6 of Example 6 with Nafion spray coating, the thickness increased due to the introduction of the Nafion coating layer, which resulted in lower electrical performance in NaCl solution compared to membrane-electrode assembly 5 of Example 5. The resistance tended to increase somewhat, but despite the increase in thickness, the electrical resistance in the HCl solution was at the same level as that of membrane-electrode assembly 5 of Example 5. This can be interpreted as the characteristic of Nafion, which has high conductivity for hydrogen ions, being expressed through surface coating.

실시예 1 내지 6에서 제조된 막-전극 접합체 1 내지 6 및 비교예 1에서 제조된 막-전극 접합체 7의 기계적 강도 특성을 측정하고, 그 결과를 표 4에 나타내었다. The mechanical strength characteristics of membrane-electrode assemblies 1 to 6 prepared in Examples 1 to 6 and membrane-electrode assemblies 7 prepared in Comparative Example 1 were measured, and the results are shown in Table 4.

상기 표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 5의 막-전극 접합체 1 내지 5는 얇은 막 두께에도 불구하고 지지체의 강한 물리적 특성과 높은 가교도로 인해 비교예 1의 막-전극 접합체 7과 비교하여 4배 이상의 우수한 인장강도를 나타내었다. As can be seen from Table 4, the membrane-electrode assemblies 1 to 5 of Examples 1 to 5 are similar to the membrane-electrode assemblies 7 of Comparative Example 1 due to the strong physical properties and high degree of cross-linking of the support despite the thin film thickness. In comparison, it showed an excellent tensile strength of more than 4 times.

또한 DVB 단독 가교제를 사용한 실시예 1의 막-전극 접합체 1과 비교할 때 혼합 가교제를 사용한 실시예 2 내지 5의 막-전극 접합체 2 내지 5의 경우가 보다 높은 인장 강도 값을 나타냄을 알 수 있다. 이는 혼합 가교제를 사용함으로써 가교도가 향상되었음을 의미하는 것이다. 그러나 가교제의 함량이 증가할수록 인장 강도가 소폭으로 감소하는 경향을 나타냄을 알 수 있다. Additionally, compared to membrane-electrode assembly 1 of Example 1 using DVB alone as a cross-linking agent, it can be seen that membrane-electrode assemblies 2 to 5 of Examples 2 to 5 using a mixed cross-linking agent showed higher tensile strength values. This means that the crosslinking degree was improved by using a mixed crosslinking agent. However, it can be seen that as the cross-linking agent content increases, the tensile strength tends to decrease slightly.

실시예 5 및 6에서 제조된 막-전극 접합체 5 및 6과 비교예 1에서 제조된 막-전극 접합체 7에 대하여 상기한 바와 같은 펜톤 산화 실험을 통해 화학적 안정성을 평가하고, 그 결과를 표 5에 나타내었다. Membrane-electrode assemblies 5 and 6 prepared in Examples 5 and 6 and membrane-electrode assemblies 7 prepared in Comparative Example 1 were evaluated for chemical stability through the Fenton oxidation experiment as described above, and the results are shown in Table 5. indicated.

상기 표 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 5의 막-전극 접합체 5는 탄화수소계의 기재로서, 비교예 1에 의해 제조된 막-전극 접합체 7에 비하여 2배 이상의 무게 감소율을 나타내었다. 그러나, 이러한 무게 감소율은 상기 표 5에 나타낸 바와 같이 상용되는 Astom사의 CMX 제품이 10% 이상의 중량감소율을 나타내는 것에 비하여 현저히 낮은 수치이다. As can be seen from Table 5, membrane-electrode assembly 5 of Example 5 is a hydrocarbon-based substrate, and showed a weight reduction rate of more than twice that of membrane-electrode assembly 7 prepared by Comparative Example 1. However, as shown in Table 5 above, this weight reduction rate is significantly lower than that of Astom's commercially available CMX product, which shows a weight reduction rate of more than 10%.

또한, 표면에 나피온 코팅을 한 실시예 6의 막-전극 접합체 6은 산화안정성이 증가하여 비교예 1의 막-전극 접합체 7의 수준에 근접하는 중량감소율 값을 가짐을 알 수 있다. 즉, Nafion 코팅이 되지 않은 실시예 5의 막-전극 접합체의 경우에도 높은 가교밀도로 인해 실제 응용에 충분한 화학적 안정성을 제공할 수 있으나, 추가적으로 표면에 Nafion 코팅을 함으로써 비교예 1의 막-전극 접합체 7에 근접하는 화학적 안정성을 구현할 수 있음을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the membrane-electrode assembly 6 of Example 6, whose surface was coated with Nafion, had an increased oxidation stability and had a weight loss rate value close to the level of membrane-electrode assembly 7 of Comparative Example 1. That is, even in the case of the membrane-electrode assembly of Example 5 without Nafion coating, it can provide sufficient chemical stability for practical applications due to its high crosslinking density, but by additionally coating the surface with Nafion, the membrane-electrode assembly of Comparative Example 1 It can be seen that chemical stability approaching 7 can be achieved.

3. 수전해 특성 평가 3. Evaluation of water electrolysis characteristics

실시예 1 내지 6에서 제조된 막-전극 접합체 1 내지 6과 비교예 1에서 제조된 막-전극 접합체에 대하여 상기한 바와 같은 방법으로 수소수 생산 성능을 평가하고, 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.Membrane-electrode assemblies 1 to 6 prepared in Examples 1 to 6 and membrane-electrode assemblies prepared in Comparative Example 1 were evaluated for hydrogen water production performance in the same manner as described above, and the results are shown in FIGS. 3 and 4 shown in

도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 각각의 막-전극 접합체에 의한 수소 생산량은 크게 다르지 않은 결과를 나타내었다. 이는 정전류 조건이므로, 수소 생산량이 다르지 않을 것이라는 이론적 추정에 부합하는 결과이다. 만약, 수소 생산량이 적다면 이는 이온교환막의 결함 또는 낮은 이온선택도의 영향에 기인한 것으로 판단할 수 있다.As can be seen from Figure 3, the hydrogen production by each membrane-electrode assembly showed results that were not significantly different. Since this is a constant current condition, this result is consistent with the theoretical assumption that hydrogen production will not be different. If hydrogen production is low, it can be determined that this is due to a defect in the ion exchange membrane or the effect of low ion selectivity.

또한, 도 4로부터 전압 변화없이 일정한 값을 유지함을 알 수 있다. 이는 안정적인 물분해 반응이 일어나고 있음을 의미한다. 만일 막-전극 접합체 내부에서 생산된 수소 기체가 원활하게 빠져나오지 못하는 경우나, 전극층의 촉매가 역할을 하지 못하는 경우에는 급격한 전압 상승을 관찰할 수 있을 것이다. 그러나, 실시예 1 내지 6의 모든 막-전극 접합체에서 안정적으로 전압이 유지됨을 확인할 수 있다. Additionally, it can be seen from Figure 4 that the voltage maintains a constant value without change. This means that a stable water decomposition reaction is occurring. If the hydrogen gas produced inside the membrane-electrode assembly does not escape smoothly, or if the catalyst in the electrode layer does not function, a rapid increase in voltage can be observed. However, it can be confirmed that the voltage is stably maintained in all membrane-electrode assemblies of Examples 1 to 6.

한편, 가교제의 함량이 증가할수록 물분해 전압이 감소하는 경향을 나타냄을 확인할 수 있다. 이는 앞서 기술한 이온교환막의 전기적 저항과 일치하는 결과이다. 특히 실시예 5의 막-전극 접합체 5 및 실시예 6의 막-전극 접합체의 경우 비교예 1의 Nafion 기반의 막-전극 접합체와 동등 수준의 물분해 전압을 나타냄을 확인할 수 있다.On the other hand, it can be seen that as the content of the cross-linking agent increases, the water decomposition voltage tends to decrease. This result is consistent with the electrical resistance of the ion exchange membrane described previously. In particular, it can be seen that the membrane-electrode assembly 5 of Example 5 and the membrane-electrode assembly of Example 6 exhibit water decomposition voltages at the same level as the Nafion-based membrane-electrode assembly of Comparative Example 1.

Claims (35)

다공성 고분자 필름을 단량체, 가교제 및 개시제가 혼합된 혼합 용액에 함침하여 세공을 충진하는 단계;
상기 다공성 고분자 필름의 세공 내에 충진된 혼합 용액을 가교중합반응시키는 단계;
상기 가교중합된 고분자 필름을 양이온교환기를 갖는 용액에 함침하여 고분자 필름에 양이온교환기를 도입하여 세공충진 양이온 교환막을 제조하는 단계;
상기 세공충진 양이온 교환막을 전극층 형성용 금속 이온 함유 용액에 함침하여 전극층 형성용 금속을 이온교환시키는 단계; 및
상기 전극층 형성용 금속 이온으로 교환된 세공충진 양이온 교환막을 알칼리 수용액에 함침하여 전극층 형성용 금속 이온을 환원시켜 전극층을 형성하는 단계
를 포함하는 막-전극 접합체 제조방법.
Filling the pores by impregnating a porous polymer film in a mixed solution of a monomer, a crosslinker, and an initiator;
Cross-polymerizing the mixed solution filled in the pores of the porous polymer film;
Preparing a pore-filling cation exchange membrane by impregnating the cross-polymerized polymer film in a solution having a cation exchange group to introduce a cation exchange group into the polymer film;
Impregnating the pore-filling cation exchange membrane in a solution containing metal ions for forming an electrode layer to ion-exchange the metal for forming an electrode layer; and
Impregnating the pore-filling cation exchange membrane exchanged with the metal ion for forming the electrode layer in an aqueous alkaline solution to reduce the metal ion for forming the electrode layer to form an electrode layer.
Membrane-electrode assembly manufacturing method comprising.
제1항에 있어서, 상기 양이온 교환기는 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the cation exchange group is a sulfonic acid group (-SO 3 H), a carboxyl group (-COOH), a phosphonic group (-PO 3 H 2 ), a phosphinic group (-HPO 2 H), an asonic group ( -AsO 3 H 2 ) and a selinonic group (-SeO 3 H). A method of manufacturing a membrane-electrode assembly that is at least one selected from the group consisting of. 제1항에 있어서, 상기 단량체는 스티렌, N-페닐아크릴아미드(N-Phenylacrylamide), N-(트리페닐메틸)메타크릴아미드(N-(Triphenylmethyl)methacrylamide), 에틸렌글리콜 페닐에테르 아크릴레이트(Ethylene glycol phenyl ether acrylate), 2-히드록시-3-페녹시프로필 아크릴레이트(2-Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate), 2-술포에틸 메타크릴레이트(2-sulfoethyl methacrylate) 및 3-술포프로필 메타크릴레이트(3-sulfopropyl methacrylate)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the monomer is styrene, N-phenylacrylamide, N-(Triphenylmethyl)methacrylamide, and ethylene glycol phenyl ether acrylate. phenyl ether acrylate), 2-Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate, 2-sulfoethyl methacrylate and 3-sulfopropyl methacrylate ( A method of manufacturing at least one membrane-electrode assembly selected from the group consisting of 3-sulfopropyl methacrylate). 제1항에 있어서, 상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 하이드록시피발릭산 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트, 트리플로필렌글리콜 디아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리시클로데칸 디메탄올 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 글리세린 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트 및 트리스(2-하이드록시에틸)이소시아누레이트 트리아크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 2 이상인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the crosslinking agent is divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol dimethacrylate, and 1,6-hexanediol diacrylate. , hydroxypivalic acid neopentyl glycol diacrylate, tripropylene glycol diacrylate, dipropylene glycol diacrylate, triethylene glycol diacrylate, tricyclodecane dimethanol diacrylate, trimethylolpropane triacrylate, A method of producing a membrane-electrode assembly comprising at least two selected from the group consisting of glycerin triacrylate, trimethylolpropane triacrylate, and tris(2-hydroxyethyl)isocyanurate triacrylate. 제4항에 있어서, 상기 가교제는 분자량이 서로 상이한 2 이상을 사용하는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 4, wherein the crosslinking agent uses two or more different molecular weights. 제1항에 있어서, 상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트의 혼합물이며, 가교제 100중량%에 대하여 디비닐벤젠 60 내지 90중량%, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 3 내지 15중량%, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트 3 내지 15중량% 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트 3 내지 15중량%인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the crosslinking agent is a mixture of divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, and 1,6-hexanediol dimethacrylate, based on 100% by weight of the crosslinking agent. 60 to 90% by weight of divinylbenzene, 3 to 15% by weight of ethylene glycol dimethacrylate, 3 to 15% by weight of 1,3-butanediol dimethacrylate, and 3 to 15% by weight of 1,6-hexanediol dimethacrylate. % Membrane-electrode assembly manufacturing method. 제1항에 있어서, 상기 가교중합반응은 광가교 (photo-crosslinking) 또는 열가교 (thermal crosslinking)에 의해 수행되는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the crosslinking polymerization reaction is performed by photo-crosslinking or thermal crosslinking. 제1항에 있어서, 상기 개시제는 벤조페논, 벤질디메틸케탈, 1,2-디페닐 에탄디온, 하이드록실디메틸아세토폰 및 α-하이드록시사이클로헥실페닐메타논으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 광개시제인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the initiator is at least one photoinitiator selected from the group consisting of benzophenone, benzyldimethylketal, 1,2-diphenyl ethanedione, hydroxyldimethylacetopone, and α-hydroxycyclohexylphenylmethanone. Method for manufacturing phosphorus membrane-electrode assembly. 제1항에 있어서, 상기 개시제는 벤조일 퍼옥사이드, 과산화벤조일, 아조비스이소부티로니트릴, 아조메탄 및 아조이소프로판으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 열개시제인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the initiator is at least one thermal initiator selected from the group consisting of benzoyl peroxide, benzoyl peroxide, azobisisobutyronitrile, azomethane, and azoisopropane. 제1항에 있어서, 상기 가교제는 단량체와 가교제의 합계 100중량%에 대하여 10 내지 30중량%의 함량으로 포함하는 것인 막-전극 접합체 제조방법. The method of claim 1, wherein the crosslinking agent is contained in an amount of 10 to 30% by weight based on a total of 100% by weight of the monomer and the crosslinking agent. 제1항에 있어서, 상기 개시제는 단량체 100중량부에 대하여 1 내지 5중량부의 함량으로 포함하는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the initiator is included in an amount of 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the monomer. 제1항에 있어서, 상기 전극층 형성용 금속이온으로 이온교환시키는 단계는,
상기 세공충진 양이온 교환막을 황산수용액에 1 내지 15시간 함침시킨 후 수세하는 단계;
메탄올 또는 에탄올과 물의 혼합 용매에 전극층 형성용 금속 이온 함유 전구체를 용해하여 백금 이온 함유 용액을 제조하는 단계; 및
상기 세정된 세공충진 양이온 교환막을 전극층 형성용 금속 이온 함유 전구체 용액에 함침하는 단계
를 포함하는 공정에 의해 수행되는 것인 막-전극 접합체 제조방법.
The method of claim 1, wherein the step of ion exchanging with metal ions for forming the electrode layer,
Impregnating the pore-filling cation exchange membrane in an aqueous sulfuric acid solution for 1 to 15 hours and then washing it with water;
Preparing a platinum ion-containing solution by dissolving a metal ion-containing precursor for forming an electrode layer in methanol or a mixed solvent of ethanol and water; and
Impregnating the cleaned pore-filling cation exchange membrane with a precursor solution containing metal ions for forming an electrode layer.
A method of manufacturing a membrane-electrode assembly carried out by a process comprising.
제12항에 있어서, 상기 황산 수용액은 0.5 내지 2M의 농도를 갖는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 12, wherein the aqueous sulfuric acid solution has a concentration of 0.5 to 2M. 제12항에 있어서, 상기 메탄올 또는 에탄올과 물의 혼합 용매는 메탄올 또는 에탄올과 물의 부피비가 1:2 내지 1:5인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 12, wherein the mixed solvent of methanol or ethanol and water has a volume ratio of methanol or ethanol and water of 1:2 to 1:5. 제1항에 있어서, 상기 전극층 형성용 금속 이온 함유 전구체 용액은 전극층 형성용 금속 이온을 0.1 내지 0.7mM의 농도를 갖는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the precursor solution containing metal ions for forming the electrode layer has a concentration of 0.1 to 0.7mM of the metal ions for forming the electrode layer. 제1항에 있어서 전극층 형성용 금속이온으로 이온교환시키는 단계는 20분 내지 1시간 동안 수행하는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of manufacturing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the step of ion exchange with metal ions for forming the electrode layer is performed for 20 minutes to 1 hour. 제1항에 있어서, 상기 환원은 상기 전극층 형성용 금속이온으로 이온교환된 세공충진 양이온 교환막을 pH 11 내지 14의 알칼리 수용액에 NaBH4 및 LiAlH4로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나가 용해된 환원용액에 함침하여 수행하는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the reduction is performed by using a reducing solution in which at least one selected from the group consisting of NaBH 4 and LiAlH 4 is dissolved in an alkaline aqueous solution having a pH of 11 to 14 by ion-exchanging the pore-filling cation exchange membrane with metal ions for forming the electrode layer. A method of manufacturing a membrane-electrode assembly performed by impregnating. 제1항에 있어서, 상기 환원용액에 함침은 30분 내지 5시간 동안 수행하는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the impregnation with the reducing solution is performed for 30 minutes to 5 hours. 제18항에 있어서, 상기 환원용액은 알칼리 수용액에 NaBH4 또는 LiAlH4가 0.6 내지 0.9M의 농도로 용해된 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 18, wherein the reducing solution is NaBH 4 or LiAlH 4 dissolved in an aqueous alkaline solution at a concentration of 0.6 to 0.9 M. 제1항에 있어서, 상기 전극층 형성용 금속이온은 백금, 류테늄 또는 이들의 혼합 금속의 이온인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the metal ion for forming the electrode layer is an ion of platinum, ruthenium, or a mixed metal thereof. 제17항에 있어서, 상기 알칼리 수용액은 20 내지 60℃의 온도를 갖는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 17, wherein the aqueous alkaline solution has a temperature of 20 to 60°C. 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자 필름은 25㎛ 이하(0㎛은 제외한다)의 두께를 갖는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the porous polymer film has a thickness of 25 ㎛ or less (excluding 0 ㎛). 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자 필름은 LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), PE(Polyethylene)계 공중합체, PP(Polypropylene), EVA(Ethylene Vinyl Alcohol), EOR(Ethylene Octene Rubber)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the porous polymer film is LLDPE (Linear Low Density Polyethylene), LDPE (Low Density Polyethylene), PE (Polyethylene)-based copolymer, PP (Polypropylene), EVA (Ethylene Vinyl Alcohol), and EOR (Ethylene Octene). A method of manufacturing a membrane-electrode assembly selected from the group consisting of Rubber. 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자 필름을 아세톤 용매에 30분 내지 5시간 동안 세척한 후 건조하는 단계를 더 포함하는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, further comprising washing the porous polymer film in acetone solvent for 30 minutes to 5 hours and then drying it. 제1항에 있어서, 상기 금속이온을 환원시키는 단계에서 얻어진 막-전극 접합체를 황산 수용액으로 30분 내지 5시간 동안 함침한 후 수세하는 단계를 더 포함하는 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, further comprising impregnating the membrane-electrode assembly obtained in the step of reducing the metal ions with an aqueous sulfuric acid solution for 30 minutes to 5 hours and then washing it with water. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세공충진 양이온교환막 상에 나피온(Nafion) 용액을 표면에 분사하여 코팅하는 단계를 더 포함하는 막-전극 접합체 제조방법.The method of manufacturing a membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 25, further comprising coating the pore-filling cation exchange membrane by spraying a Nafion solution on the surface. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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