KR20010061632A - Fabrication method of the composite polymer membrane and composite polymer membrane/electrode assembly for polymer electrolyte membrane fuel cell - Google Patents

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KR20010061632A
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Abstract

PURPOSE: A method for preparing a composite polymer membrane of polymer electrolyte membrane fuel cell(PEMFC) is provided, which lowers a price of the polymer membrane, produces the electrolytic polymer membrane having a relatively thin thickness and reduces expansion and contraction of the polymer membrane. And a method for preparing a composite polymer membrane/electrode assembly by using the same is provided. CONSTITUTION: The method for preparing a composite polymer membrane comprises steps of: (i) hot pressing or rolling a perfluorosulfonylfluoride/TFE copolymer resin at 200-250 deg.C to obtain a pre-formed precursor sheet; (ii) after inserting a porous membrane in the center of the pre-formed precursor sheet, hot pressing or rolling it to obtain a composite sheet of the pre-formed precursor and the porous membrane; (iii) treating the composite sheet with an aqueous solution of sodium hydroxide in a 5-30 weight ratio to convert the composite pre-formed sheet consisting of the composite perfluorosulfonylfluoride/TFE copolymer resin into a Na+ formed composite perfluorosulfonate polymer membrane; and (iv) hydrating the Na+ formed composite perfluorosulfonate polymer membrane to convert it into a H+ formed composite perfluorosulfonate polymer membrane. The composite polymer membrane/electrode assembly is prepared by the steps of: (i) hot pressing or rolling a perfluorosulfonylfluoride/TFE copolymer resin at 200-250 deg.C to obtain a pre-formed precursor sheet; (ii) after inserting a porous membrane in the center of the pre-formed precursor sheet, hot pressing or rolling it to obtain a composite sheet of the pre-formed precursor and the porous membrane; (iii) treating the composite sheet with an aqueous solution of sodium hydroxide in a 5-30 weight ratio to convert the composite pre-formed sheet consisting of the composite perfluorosulfonylfluoride/TFE copolymer resin into a Na+ formed composite perfluorosulfonate polymer membrane; (iv) coating the Na+ formed composite perfluorosulfonate polymer membrane with a platinum catalyst ink; and (v) hot pressing the catalyst ink coated composite polymer membrane at 120-200 deg.C to produce a composite polymer membrane/electrode assembly.

Description

고분자 연료전지용 복합체 고분자막과 복합체 고분자막/전극 접합체의 제조 방법 {FABRICATION METHOD OF THE COMPOSITE POLYMER MEMBRANE AND COMPOSITE POLYMER MEMBRANE/ELECTRODE ASSEMBLY FOR POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL}Manufacturing method of composite polymer membrane and composite polymer membrane / electrode assembly for polymer fuel cell {FABRICATION METHOD OF THE COMPOSITE POLYMER MEMBRANE AND COMPOSITE POLYMER MEMBRANE / ELECTRODE ASSEMBLY FOR POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL}

본 발명은 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)용 복합체 고분자막(composite polymer membrane)과 복합체 고분자막/전극 접합체(composite polymer Membrane/Electrode Assembly, MEA)의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a composite polymer membrane and a composite polymer membrane / electrode assembly (MEA) for a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC).

일반적으로 연료전지(fuel cell)는 메탄올이나 천연가스등 탄화수소 계열의 연료 중에 포함되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응에 의해서 직접 전기에너지로 변환시키는 고효율의 청정 발전기술로서 1970년대부터 미국에서 우주선 또는 군사용의 전원 공급용으로 개발된 이래 이를 일반 전원용으로 사용하고자 하는 연구가 활발히 추진되어 왔으며, 현재 미국, 일본과 유럽 등의 선진국에서 그 실용화를 위한 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다.Generally, fuel cell is a high-efficiency clean power generation technology that directly converts hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon fuel such as methanol and natural gas into electric energy by electrochemical reaction. Since it was developed for power supply for spacecraft or military, researches on using it as a general power source have been actively conducted, and research and development for its practical use are currently being actively conducted in advanced countries such as the United States, Japan and Europe.

연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라 크게 알칼리형, 인산형, 용융탄산염, 고체산화물 및 고분자 연료전지로 분류되고 있다. 상기 여러 종류의 연료전지 중에서 고분자 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell)는 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없으며, 단위면적당 높은 전류밀도(current density)를 얻을 수 있어 타 연료전지에 비해 출력특성이 월등히 높고, 작동온도가 낮아 현재 자동차 등의 이동용(transportable) 전원, 주택이나 공공 건물 등의 분산용 전원(on-site) 및 전자기기용 등의 소형 전원으로 이용하기 위하여 미국, 일본을 비롯한 유럽 등에서 이에 대한 개발이 활발히 추진되고 있다.Fuel cells are classified into alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate, solid oxide, and polymer fuel cells according to the type of electrolyte used. Among the various types of fuel cells, the polymer electrolyte membrane fuel cell uses a polymer as an electrolyte, so there is no risk of corrosion or evaporation by the electrolyte, and a high current density per unit area can be obtained. Compared with fuel cells, its output characteristics are much higher and its operating temperature is so low that it can be used as a portable power source for automobiles, small power sources such as on-site and electronic devices for homes and public buildings. In Europe, Japan and Europe, the development of this is being actively promoted.

이와 같은 고분자 연료전지 발전시스템의 중심을 이루고 있는 연료전지 스택 본체는 고분자 이온교환막(proton-exchange membrane)으로 된 고체 전해질(solid polymer electrolyte)을 중심으로 그 양쪽 면에 연료극(fuel electrode) 및 공기극(air electrode)을 열간가압(hot pressing)에 의해서 부착시킴에 의해서 구성되는 단위전지(single cell)로 이루어져 있으며, 이러한 단위전지를 여러 층으로 적층(stacking)함으로서 수 W에서 수백 kW에 이러는 연료전지 발전시스템(fuel cell power plant system)을 구성하게 된다.The fuel cell stack body, which forms the center of such a polymer fuel cell power generation system, has a fuel electrode and an air electrode on both sides of a solid electrolyte made of a proton-exchange membrane. It consists of a single cell constructed by attaching an air electrode by hot pressing, and stacks these unit cells in multiple layers to achieve fuel cell power generation from several W to several hundred kW. It constitutes a fuel cell power plant system.

한편, 고분자 연료전지의 발전시스템에서는 고분자막/전극 접합체 (membrane/electrode assembly, MEA)의 성능이 발전 특성에 큰 영향을 미치게 된다. 상기 고분자막/전극 접합체는 고분자 전해질막(solid polymer electrolyte membrane)과 탄소담지 촉매전극층(carbon supported catalysts electrode layer)으로 구성되는데, 고분자 전해질막으로는 나피온(Nafion, DuPont사 제조의 상품명), 프레미온(Flemion, Asahi Glass사 제조의 상품명), 아시프렉스(Asiplex, Asahi Chemical사 제조의 상품명) 및 다우 XUS(Dow XUS, Dow Chemical사 제조의 상품명) 전해질막과 같은 퍼플루오로설포네이트 아이오노머막(perfluorosulfonate ionomer membrane)이 많이 사용되고 있으며, 탄소담지 촉매전극층은 다공성의 탄소종이 (carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 등의 전극지지체에 백금(Pt) 또는 루테늄(Ru) 등의 미세한 촉매입자를 담지시킨 탄소분말을 방수성 결합제로 결합시켜서 사용하고 있다.Meanwhile, in the power generation system of the polymer fuel cell, the performance of the membrane / electrode assembly (MEA) has a great influence on the power generation characteristics. The polymer membrane / electrode assembly is composed of a solid polymer electrolyte membrane and a carbon supported catalyst electrode layer. The polymer electrolyte membrane is Nafion (trade name manufactured by DuPont) and Premion. Perfluorosulfonate ionomer membranes such as (Flemion, trade name manufactured by Asahi Glass), Asifrex (Asiplex, trade name manufactured by Asahi Chemical), and Dow XUS (Dow XUS, trade name manufactured by Dow Chemical) Perfluorosulfonate ionomer membrane is widely used, and the carbon-supported catalyst electrode layer supports fine catalyst particles such as platinum (Pt) or ruthenium (Ru) on an electrode support such as porous carbon paper or carbon cloth. The carbon powder is combined with a waterproof binder and used.

현재 사용되는 고분자 전해질막은 그 가격이 상당히 고가이기 때문에 상기 고분자 연료전지를 발전용 전원으로 상용화하는데 큰 애로 사항으로 작용하고 있다.Since the polymer electrolyte membrane used at present is quite expensive, the polymer electrolyte membrane is a major problem in commercializing the polymer fuel cell as a power source for power generation.

이러한 애로 사항을 해소하기 위한 방편으로, 가격이 상대적으로 저렴한 PTFE 등으로 이루어진 다공성 멤브레인(porous membrane)을 기존의 전해질막에 복합화시키게 되면 고가의 기존 전해질막의 사용량을 줄일 수 있으며, 또한 이러한 방법을 사용하여 두께가 아주 얇은 전해질막을 제조하는 것이 가능하게 되는 것으로 알려지고 있다.As a way to solve this problem, if a porous membrane made of relatively inexpensive PTFE etc. is combined with the existing electrolyte membrane, the use of expensive existing electrolyte membrane can be reduced, and this method is also used. It is known that it is possible to produce an electrolyte membrane having a very thin thickness.

그리고, 기존의 전해질막에서 수분에 의하여 발생하는 고분자막의 큰 팽창과 수축을 복합체 전해질막을 사용하여 줄여 줌으로서 고분자막의 안정한 기계적 물성을 얻을 수 있다.In addition, stable mechanical properties of the polymer membrane can be obtained by reducing the large expansion and contraction of the polymer membrane generated by moisture in the existing electrolyte membrane using the composite electrolyte membrane.

상기 기존의 고분자 전해질막을 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Directmethanol fuel cell, DMFC)에서는 연료인 메탄올이 연료극에서 고분자 전해질막을 통하여 공기극으로 크로스오버(crossover)함으로서 연료전지의 성능이 크게 낮아지는 단점이 있는데, 소수성(hydrophobic)을 띠는 다공성막을 고분자 전해질막에 넣어 복합체 막으로 만들어 줌으로서 이러한 단점을 해소할 수 있다. 이에 따라, 최근에는 고분자 연료전지용 복합체 고분자막의 제조 방법에 대한 기술이 알려지고 있다.In the direct methanol fuel cell (DMFC) using the conventional polymer electrolyte membrane, there is a disadvantage in that the performance of the fuel cell is significantly lowered by the methanol crossover from the anode to the cathode through the polymer electrolyte membrane. The hydrophobic porous membrane can be put into the polymer electrolyte membrane to make a composite membrane to solve this disadvantage. Accordingly, in recent years, a technique for producing a composite polymer membrane for a polymer fuel cell has been known.

최근에는 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌, polytetrafluoroethylene), 셀가드(Celgard), 폴리카보네이트(polycarbonate) 및 PVDF(폴리비닐리덴플루오라이드, polyvinylidene fluoride) 등과 같은 다공성 지지체 재료(porous support material) 속에 나피온 용액(Nafion solution)을 함침(impregnation)시켜서 복합체막(composite membranes)을 제조하는 기존의 방법이 알려지고 있다.(참고문헌: J.-S. Jiang, D.B. Greenberg, and J.R. Fried, Preparation of a Nafion composite membrane using a porous teflon support,J. Membrane Science, Vol. 132, pp. 273 - 276, 1997, 및 K.M. Nouel and P.S. Fedkiw, Nafion-based composite polymer electrolyte membrane,Electrochimica Acta, Vol. 43, No. 16-17, pp. 2381 - 2387, 1998)Recently, Nafion solutions in porous support materials such as PTFE (polytetrafluoroethylene), Celgard, polycarbonate, and PVDF (polyvinylidene fluoride) Conventional methods for preparing composite membranes by impregnation of Nafion solution are known. (Reference: J.-S. Jiang, DB Greenberg, and JR Fried, Preparation of a Nafion composite membrane using a porous teflon support, J. Membrane Science , Vol. 132, pp. 273-276, 1997, and KM Nouel and PS Fedkiw, Nafion-based composite polymer electrolyte membrane, Electrochimica Acta , Vol. 43, No. 16- 17, pp. 2381-2387, 1998)

그러나, 상기의 종래 방법에 따라서 나피온 용액을 상온에서 캐스팅 (casting)하여 제조된 복합체막은 취성이 높고(brittle), 균열 발생이 쉽고, 물이나 극성 유기 용매 (polar organic solvents)에 녹기 쉽다는 단점이 있다.However, according to the conventional method, a composite membrane prepared by casting a Nafion solution at room temperature is brittle, brittle, easily cracked, and easily soluble in water or polar organic solvents. There is this.

이러한 캐스팅 막의 물성을 향상시키기 위하여 나피온 용액에 고비점 용매(high-boiling solvent)를 첨가하거나 200-250℃의 독립된 어닐링 단계 (separate annealing step)를 채택하는 방안이 시도되고 있긴 하나 상기 방식으로 제조된 복합체막은 기존의 나피온막 보다 가스 투과성(gas permeability)이 높고, 반응 연료나 산화제의 크로스오버(reactants crossover)가 많아서 연료전지 내에서 이들이 상호 혼합(intermixing)된다는 문제점이 지적되고 있다.In order to improve the properties of the casting film, a method of adding a high-boiling solvent to the Nafion solution or adopting a separate annealing step of 200-250 ° C. has been attempted. The composite membranes have higher gas permeability than conventional Nafion membranes, and there are many reactant crossovers of reactant fuels and oxidants, and thus they are intermixed in fuel cells.

본 발명의 목적은 종래 고분자 연료전지의 복합체 고분자막의 제조방법에서 제기되고 있는 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 복합체 고분자막을 제조하기 위한 열간가압 또는 롤링 시에 퍼플루오로설포닐플로라이드/티에프이 공중합체 레진(perfluorosulfonylfluoride/TFE copolymer resin)의 용융이 일어나서 고분자 공중합체 레진이 다공성 지지체 멤브레인의 내부로 매입되도록 함으로써 고분자막과 다공성 지지체 멤브레인의 접착과 복합화가 일어나도록 한 고분자 연료전지의 복합체 고분자막과 이를 이용한 고분자막/전극 접합체의 제조 방법을 제공하는데 목적을 두고 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems raised in the method of manufacturing a composite polymer membrane of a conventional polymer fuel cell, and to obtain a perfluorosulfonyl fluoride / when hot pressing or rolling for producing the composite polymer membrane. A composite polymer membrane of a polymer fuel cell in which a polymer polymer resin is adhered to a porous support membrane by melting of perfluorosulfonylfluoride / TFE copolymer resin and embedded into the porous support membrane, thereby causing adhesion and complexation of the polymer membrane and the porous support membrane. An object of the present invention is to provide a method for producing a polymer membrane / electrode assembly.

도1은 본 발명에 따른 복합체 고분자막과 복합체 고분자막/전극 접합체 제조 공정도.1 is a manufacturing process of the composite polymer film and the composite polymer film / electrode assembly according to the present invention.

도2는 본 발명에 따른 제조공정으로 제조된 복합체 멤브레인/전극 접합체의 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view of the composite membrane / electrode assembly produced by the manufacturing process according to the present invention.

도3은 본 발명의 단일 고분자막/전극 접합체 단면에 대한 주사전자현미경 사진.3 is a scanning electron micrograph of the cross section of a single polymer membrane / electrode assembly of the present invention.

도4는 본 발명의 복합체 고분자막/전극 접합체 단면에 대한 주사전자현미경 사진.Figure 4 is a scanning electron micrograph of the cross-section of the composite polymer film / electrode assembly of the present invention.

도 5는 각기 단일 고분자막과 복합체 고분자막으로 제조된 고분자막/전극 접합체의 단위전지에 대한 전류밀도 대 전지전압간의 변화를 비교한 그래프.Figure 5 is a graph comparing the change between the current density versus the cell voltage for the unit cell of the polymer membrane / electrode assembly prepared with a single polymer membrane and a composite polymer membrane, respectively.

도 6은 본 발명의 복합체 고분자막과 상용 나피온 고분자막으로 제조된 고분자막/전극 접합체의 단위전지에 대한 전류밀도 대 전지전압간의 변화를 비교한 그래프.Figure 6 is a graph comparing the change between the current density versus the cell voltage for the unit cell of the polymer membrane / electrode assembly prepared of the composite polymer membrane and commercial Nafion polymer membrane of the present invention.

(( 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ))((Description of the code for the main part of the drawing))

1. 연료극 촉매층 2. 공기극 촉매층1. anode catalyst layer 2. cathode catalyst layer

3. 이온교환 고분자막 4. 다공성 PTFE 멤브레인3. Ion exchange polymer membrane 4. Porous PTFE membrane

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합체 고분자막 제조방법에서는, 고분자 공중합체 레진(copolymer resin) 을 전구체(precursor)로 사용하여 열간가압 또는 롤링함에 의하여 소정 형태의 프리폼 전구체 시트(pre-formedprecursor sheet)로 각각 2장씩 성형한 후, 다공성 지지체 멤브레인을 상기 시트 가운데 넣은 후 열간가압 또는 롤링 공정으로 프리폼 시트의 용융에 의하여 접촉면에서 다공성 지지체 멤브레인의 매입이 이루어지도록 한 다음, 가성소다(NaOH) 용액 중에서 수화처리하여 고분자막의 이온화가 이루어지도록 함에 의해서 복합체 고분자막이 얻어지게 된다.In the method of manufacturing a composite polymer film according to the present invention for achieving the above object, a preform precursor sheet (pre-formedprecursor) of a predetermined form by hot pressing or rolling using a polymer resin (prepolymer) as a precursor (precursor) sheet 2), and then the porous support membrane is placed in the sheet, and the porous support membrane is embedded at the contact surface by melting the preform sheet by hot pressing or rolling, and then caustic soda (NaOH) solution. The composite polymer membrane is obtained by performing hydration treatment in the polymer membrane to ionize the polymer membrane.

도1은 본 발명의 복합체 고분자막 제조방법에 대한 공정도로서 이에 의거하여 본 발명의 복합체 고분자막 제조공정을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.1 is a process chart of the composite polymer film production method of the present invention based on the composite polymer film production process of the present invention in detail as follows.

먼저, 본 발명에서는 고분자막 성형용 원료물질로서 퍼플루오로설포닐플로라이드/티에프이 공중합체 레진(perfluorosulfonylfluoride/TFE copolymer resin)을 사용한다.First, in the present invention, perfluorosulfonyl fluoride / TF copolymer resin (perfluorosulfonylfluoride / TFE copolymer resin) is used as a raw material for forming a polymer film.

한편, 퍼플루오로설포네이트 아이오노머막(perfluorosulfonate ionomer membranes)은 사이드 체인의 얽힘(side chain entanglement) 및 관능기(functional groups)간의 이온 상호 작용(ionic interaction)에 기인하여 용융 성형성(melt-processable)이 없는 반면에, 상기 퍼플루오로설포네이트 아이오노머막에 대한 전구체로서의 퍼플루오로설포닐플로라이드/티에프이 공중합체 레진 (perfluorosulfonylfluoride/TFE copolymer resin)은 용융 성형성을 지니고 있음에 따라서 손쉽게 시트(sheet)나 튜브(tube)등을 비롯한 다양한 형태로 성형할 수 있는 특성이 있다.On the other hand, perfluorosulfonate ionomer membranes are melt-processable due to side chain entanglement and ionic interactions between functional groups. On the other hand, perfluorosulfonylfluoride / TFE copolymer resins as precursors to the perfluorosulfonate ionomer membranes are readily sheetable as they have melt moldability. ) And tube (tube), etc. can be formed into various forms.

상기 퍼플루오로설포닐플로라이드/티에프이 공중합체 레진을 200-250℃의 온도에서 열간가압 또는 롤링함으로써 프리폼 시트(pre-formed sheet)를 성형한다.The perfluorosulfonyl fluoride / TF forms the pre-formed sheet by hot pressing or rolling the copolymer resin at a temperature of 200-250 ° C.

다음, 다공성 PTFE 멤브레인을 상기 시트 2장 가운데 넣은 후 200-250℃의 온도로 열간가압 또는 롤링 처리한다.Next, the porous PTFE membrane is placed in the middle of the two sheets, and then hot pressed or rolled to a temperature of 200-250 ° C.

상기 열간가압 또는 롤링 공정에 의해 프리폼 전구체 막은 그 표면에서의 용융이 발생하게 되고, 그 결과로 다공성 PTFE 멤브레인의 공극(pore) 내부로 용융된 프리폼 전구체 막이 매입되어 2장의 프리폼 전구체 막과 다공성 PTFE 멤브레인은 완전히 결합된 복합체를 만들게 된다.The hot pressing or rolling process causes the preform precursor membrane to melt on its surface, and as a result, the molten preform precursor membrane is embedded into the pores of the porous PTFE membrane, thereby forming two preform precursor membranes and the porous PTFE membrane. Will create a fully bonded complex.

상기의 다공성 PTFE 멤브레인은 메탄올, 에탄올, 염산 또는 황산 등 거의 모든 용매나 약품에 대하여 화학적으로 안정하고, 260℃까지도 열변형(thermal transformation)이 없으며, 소수성이기 때문에 물을 함유한 물질에 젖지 않는다는 특징을 가지고 있다.The porous PTFE membrane is chemically stable against almost all solvents or chemicals such as methanol, ethanol, hydrochloric acid, or sulfuric acid, has no thermal transformation even up to 260 ° C, and is hydrophobic so that it does not get wet with water-containing materials. Have

상기의 열간가압 또는 롤링 공정을 거쳐 얻어진 복합체 고분자막은 이온화된 형태가 아니기 때문에 그 후속공정으로서 복합체 고분자막을 이온화된 형태로 전환시키기 위한 수화처리를 행하게 된다. 이 같은 수화처리는 상기 복합체 고분자막을 가성소다(NaOH) 용액 또는 황산(H2SO4) 용액 중에 침지시켜서 퍼플루오로설포닐플로라이드 막이 각각 Na+또는 H+형태의 퍼플루오로설포네이트 막(perfluorosulfonate membrane)으로 변환되도록 함에 의해서 본 발명의 복합체 고분자막이 얻어지게 된다.Since the composite polymer membrane obtained through the hot pressing or rolling process is not in an ionized form, a hydration treatment for converting the composite polymer membrane into an ionized form is performed as a subsequent step. This hydration treatment is performed by immersing the composite polymer membrane in a caustic soda (NaOH) solution or sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution so that the perfluorosulfonyl fluoride membrane is a Na + or H + type perfluorosulfonate membrane ( By converting into a perfluorosulfonate membrane), the composite polymer membrane of the present invention is obtained.

상기 본 발명의 방법에 의해 제조된 연료전지의 복합체 고분자막은 프리폼 시트와 PTFE 멤브레인간의 열간가압 또는 롤링 공정시에 프리폼 시트의 용융에 의한 PTFE 멤브레인 공극 내부로의 매입이 일어나면서 이들간의 계면이 용융에 의하여 결합되기 때문에 두 가지 서로 다른 재료가 탈층화(delamination)되는 우려가 배제되고, 제조된 복합체 멤브레인의 기체 투과도는 아주 낮다는 특징이 있다.The composite polymer membrane of the fuel cell prepared by the method of the present invention is embedded in the PTFE membrane voids by melting of the preform sheet during hot pressing or rolling process between the preform sheet and the PTFE membrane, and the interface between them is caused to melt. This eliminates the risk of delamination between the two different materials, and is characterized by a very low gas permeability of the resulting composite membrane.

본 발명의 실시예는 다음과 같다.Embodiments of the present invention are as follows.

먼저, 퍼플루오로설포닐플로라이드/티에프이 공중합체 레진 (perfluorosulfonylfluoride/TFE copolymer resin)을 마련하였다. 퍼플루오로설포닐플로라이드/티에프이 공중합체 전구체 레진은 20 ∼ 200μm의 입도 분포를 갖는 구형입자로 이루어진 분말 또는 크기가 약 3.6(L) x 2.4(W) x 1.5(T) (mm)인 타원형 입자로 되어 있다.First, perfluorosulfonyl fluoride / TF copolymer resin (perfluorosulfonylfluoride / TFE copolymer resin) was prepared. Perfluorosulfonyl fluoride / TF copolymer copolymer resin is an ellipsoidal powder or size of about 3.6 (L) x 2.4 (W) x 1.5 (T) (mm) consisting of spherical particles having a particle size distribution of 20-200 μm. It is made of particles.

프리폼 전구체 시트의 성형 조건을 알아보기 위하여 전구체에 대한 시차열분석(Differential Thermal Analysis, DTA)과 열중량분석(Thermogravimetric Analysis, TG)을 공기 중에서 10℃/min의 속도로 700℃까지 승온시키는 조건으로 수행하였다.Differential thermal analysis (DTA) and thermogravimetric analysis (TG) of the precursor were heated to 700 ° C. at a rate of 10 ° C./min in air to determine the molding conditions of the preform precursor sheet. Was performed.

발열반응(exothermic reaction) 및 중량감소(weight reduction)는 약 380℃에서 개시되고 약 500℃에서 종료된다. 중량감소 곡선은 전구체가 약 500℃에서 완전하게 열분해됨을 보여주었다. 따라서, 전구체는 380℃ 이하의 온도범위에서 예비성형(pre-formed)되어야 한다.Exothermic reactions and weight reductions start at about 380 ° C. and end at about 500 ° C. The weight loss curve showed that the precursor completely pyrolyzed at about 500 ° C. Therefore, the precursor must be preformed in the temperature range below 380 ° C.

전구체의 용융이 개시되는 200℃에서부터 열분해가 시작되는 380℃ 사이의 여러 온도 범위에서 전구체를 이용하여 프리폼 전구체 시트를 제작하여 보았다. 프리폼 전구체 시트는 200℃ ∼ 250℃의 온도에서 열간가압 또는 롤링 공정을 행하여기공이 형성되지 않는 균일한 시트로 제작할 수 있었다.Preform precursor sheets were fabricated using precursors at various temperature ranges between 200 ° C. at which precursor melting started and 380 ° C. at which pyrolysis began. The preform precursor sheet was produced by a hot pressing or rolling process at a temperature of 200 ° C to 250 ° C to form a uniform sheet without pores.

복합체 고분자막을 제조하기 위하여 두께가 15 ∼ 100μm 범위의 여러 가지 다공성 PTFE 멤브레인을 사용하였다. 이들 다공성 PTFE 멤브레인은 기공 크기(pore size)가 1 ∼ 5μm이고 기공율(porosity)이 80-90%였다.In order to prepare a composite polymer membrane, various porous PTFE membranes having a thickness ranging from 15 to 100 μm were used. These porous PTFE membranes had a pore size of 1-5 μm and a porosity of 80-90%.

본 발명의 실시예에서는 기공 크기(pore size)가 1 ∼ 3μm이고 두께가 10 ∼ 15μm인 것을 주로 사용하였다. 이 멤브레인의 표면은 전형적인 다공성 PTFE의 구조를 나타내었다.In the embodiment of the present invention, a pore size of 1 to 3 µm and a thickness of 10 to 15 µm were mainly used. The surface of this membrane showed the structure of a typical porous PTFE.

공중합체 레진의 용융 특성을 이용하여 열간가압 또는 롤링 공정으로 다공성 PTFE 멤브레인과 프리폼 중합체 시트로 이루어진 복합체 고분자막을 제조하였다. 200 ∼ 250℃에서 프리폼 전구체막의 표면이 용융되어 용융 전구체가 다공성 PTFE 공극 내부로 매입되게 된다.The composite polymer membrane made of a porous PTFE membrane and a preform polymer sheet was prepared by hot pressing or rolling process using the melting characteristics of the copolymer resin. The surface of the preform precursor film is melted at 200 to 250 ° C. so that the molten precursor is embedded into the porous PTFE voids.

한편, 상기의 열간가압 또는 롤링 공정을 통해서 얻어진 복합체 고분자 전구체막은 이온화되지 않은 형태이기 때문에 가수분해(hydrolysis)에 의해서 산성 이온교환막(acid type ion-exchange membrane)으로 전환되어야 한다. 이를 위해서 상기 전구체막을 90℃의 5-30% 가성소다/메탄올(2:1의 체적비) 용액 중에서 7시간 동안 유지시킨 후에 꺼내서 탈이온화된 순수물(de-ionized water)로 수회 세정하였다.On the other hand, since the composite polymer precursor membrane obtained through the hot pressing or rolling process is not ionized, it must be converted into an acid type ion-exchange membrane by hydrolysis. To this end, the precursor film was kept in a 5-30% caustic soda / methanol (2: 1 volume ratio) solution at 90 ° C. for 7 hours, and then taken out and washed several times with de-ionized water.

이같은 수화처리의 결과로 복합체 퍼플루오로설포닐플로라이드 막은 Na+형태의 복합체 퍼플루오로설포네이트막으로 변환되었다. 이 때 5-30%의 가성소다(NaOH) 용액 중에 메탄올(체적비 2:1)을 부가함으로서 고분자막의 적심성(wetting property)과 팽창성(swelling property)을 증진시킬 수 있다.As a result of this hydration treatment, the composite perfluorosulfonyl fluoride membrane was converted into a composite perfluorosulfonate membrane in the form of Na + . At this time, by adding methanol (volume ratio 2: 1) in a 5-30% caustic soda solution (NaOH), wetting and swelling properties of the polymer membrane may be enhanced.

다음, 백금이 입혀진 카본(20%Pt/C)을 나피온 용액과 글리세롤(glycerol) 및 테트라부틸 암모늄 하이드록사이드(tetrabutyl ammonium hydroxide, TBAOH)와 혼합하여 촉매잉크를 마련하였다. 이 때, 촉매잉크의 점도 및 백금이 입혀진 카본의 분산도는 글리세린과 나피온 용액을 가함에 의해서 조절되어 진다.Next, platinum coated carbon (20% Pt / C) was mixed with Nafion solution, glycerol, and tetrabutyl ammonium hydroxide (TBAOH) to prepare a catalyst ink. At this time, the viscosity of the catalyst ink and the dispersion degree of the carbon coated with platinum are controlled by adding glycerine and Nafion solution.

대량 생산이 가능한 스크린 프린팅 기술(screen printing technology) 및 스프레이 기술(spray technology) 또는 닥터 블레이드 기술(doctor blade technology)을 사용하여 촉매 잉크(catalyst ink)를 소정 크기로 필름(film)위에 프린팅 또는 분사 코팅하였다.Printing or spray coating of catalyst ink on film to a certain size using screen printing technology and spray technology or doctor blade technology for mass production It was.

이와 같이 프린팅 또는 분사 코팅된 촉매 잉크는 100-150℃의 진공건조기에서 5시간 동안 유지하여 건조시켰다. 건조시킨 패턴(pattern)은 195℃에서 핫프레싱법으로 열간가압하여 복합체 멤브레인에 압착시켜서 복합체 전해질막/전극 접합체(MEA)를 제조하였다.The printed or spray coated catalyst ink was dried in a vacuum dryer at 100-150 ° C. for 5 hours. The dried pattern was hot pressed at 195 ° C. by hot pressing to be pressed onto the composite membrane to prepare a composite electrolyte membrane / electrode assembly (MEA).

상기의 과정을 통해서 제조된 Na+형태의 복합체 고분자막/전극 접합체는 90℃의 0.1-1M 황산(H2SO4) 용액 중에서 2-3시간 동안 담가 둠으로써 H+형태의 이온교환막으로 전환되었으며, 이렇게 전환된 접합체를 꺼내서 탈이온화된 순수물(de-ionized water)로 수회에 걸쳐 세정함으로써 본 발명에 의한 복합체 고분자막/전극 접합체(composite polymer membrane/electrode assembly, MEA)를 제조하였다.The Na + composite polymer membrane / electrode assembly prepared through the above process was converted to H + type ion exchange membrane by soaking for 2-3 hours in 0.1-1M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution at 90 ° C. The conjugate thus converted was taken out and washed with de-ionized water several times to prepare a composite polymer membrane / electrode assembly (MEA) according to the present invention.

다른 한편으로는, H+ 형태의 복합체 고분자막을 전극지지체 사용 전극과 압착시켜서 복합체 고분자막/전극 접합체를 제조하기 위해서, 상기 Na+형태로 된 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막을 0.1 ∼ 1M 황산 수용액 중에서 부가적인 수화처리를 하여서 H+형태로 된 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막으로 제조하였다.On the other hand, in order to prepare a composite polymer membrane / electrode assembly by compressing the H + type composite polymer membrane with an electrode supporting electrode, the Na + type composite perfluorosulfonate polymer membrane was additionally added in an aqueous solution of 0.1-1 M sulfuric acid. By hydration, a composite perfluorosulfonate polymer membrane in H + form was prepared.

상기 H+형태의 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막에 촉매 슬러리를 코팅한 전극지지체를 압착하는 공정을 실시하였다.A process of compressing the electrode support coated with the catalyst slurry on the H + type composite perfluorosulfonate polymer membrane was carried out.

먼저, 백금(Pt)이 입혀진 탄소분말(Pt/C), 테프론(PTFE) 용액, 가교제 및 해교제로 제조한 촉매 슬러리를 전극지지체인 방수처리한 탄소종이 또는 탄소천 위에 균일하게 스크린 프린팅, 스프레이 코팅 또는 닥터 브레이드 코팅하는 공정과, 코팅된 전극을 200 ∼ 250℃의 불활성 가스 분위기 중에서 건조시키는 공정과, 건조된 전극을 300 ∼ 370℃의 불활성 가스 분위기 중에서 10 ∼ 50분간 소결하는 공정을 수행하여 전극지지체 코팅 전극을 제조하였다. 상기 전극지지체 코팅 전극을 열간가압법으로 상기 H+형태의 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막에 압착시켜서 고분자 연료전지용 복합체 고분자막/전극 접합체를 제조하였다.First, the catalyst slurry made of platinum (Pt) coated carbon powder (Pt / C), Teflon (PTFE) solution, crosslinking agent and peptizing agent is uniformly screen printed and spray coated on waterproof carbon paper or carbon cloth as electrode support. Or by performing a doctor braid coating process, drying the coated electrode in an inert gas atmosphere at 200 to 250 ° C., and sintering the dried electrode in an inert gas atmosphere at 300 to 370 ° C. for 10 to 50 minutes. A support coated electrode was prepared. The electrode support coated electrode was pressed to the H + type composite perfluorosulfonate polymer membrane by hot pressing to prepare a composite polymer membrane / electrode assembly for a polymer fuel cell.

도2는 상기의 제조공정을 통해서 제작된 복합체 멤브레인/전극 접합체의 단면도이다. 도2에서 중앙부는 이온 교환 고분자막(3)이고 그 상하부에 형성된 층은 연료극 및 공기극 촉매층(1, 2)이다. 본 발명에 따른 복합체 고분자막/전극 접합체에서는 중앙부의 고분자막(3) 가운데에 복합화시킨 다공성 PTFE 멤브레인(4)이 위치하고 있는 구성에 기술적 특징이 있다.Figure 2 is a cross-sectional view of the composite membrane / electrode assembly produced through the above manufacturing process. In FIG. 2, the central portion is an ion exchange polymer membrane 3 and the layers formed on the upper and lower portions thereof are the anode and cathode catalyst layers 1, 2. In the composite polymer membrane / electrode assembly according to the present invention, there is a technical feature in the configuration in which the porous PTFE membrane 4 composited in the center of the polymer membrane 3 in the center is located.

상기 다공성 PTFE 멤브레인(4)은 본 발명에서 의도한 바와 같이 고분자막 중앙부분에 정확하게 위치하도록 제조하였다. 이온 교환 고분자막(3)이 다공성 PTFE 멤브레인(4)의 공극 부분에 치밀하게 잘 채워져 있는 기공이 없는 복합체 고분자막으로 구성되어 있다.The porous PTFE membrane (4) was prepared so as to be located exactly in the center of the polymer membrane as intended in the present invention. The ion exchange polymer membrane 3 is composed of a porous polymer membrane without pores that is tightly packed in the pores of the porous PTFE membrane 4.

한편, 도3은 상기의 제조공정을 통해서 제작된 단일 멤브레인/전극 접합체의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다. 도3의 사진에서 중앙부는 고분자막이고 그 상하부에 형성된 층은 전극촉매층으로서, 촉매층의 두께는 최대 15μm이고, 고분자막의 두께는 최대 110μm이었다. 도3을 통해서 다공성의 전극촉매층이 기공이 없는 고분자막에 균일하고도 연속적으로 잘 접합되어 있음을 알 수 있고, 아울러 그 계면에 탈층화의 징후가 전혀 나타나고 있지 않음을 알 수 있다.3 is a scanning electron micrograph of a cross section of a single membrane / electrode assembly manufactured by the above manufacturing process. In the photograph of FIG. 3, the central portion is a polymer membrane and the layers formed on the upper and lower portions thereof are an electrode catalyst layer. The thickness of the catalyst layer is at most 15 μm and the thickness of the polymer membrane is at most 110 μm. It can be seen from FIG. 3 that the porous electrode catalyst layer is uniformly and continuously bonded to the polymer membrane having no pores, and also there are no signs of delamination at the interface.

도4는 상기의 제조공정을 통해서 제작된 복합체 멤브레인/전극 접합체의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다. 도4의 사진에서도 중앙부는 고분자막이고 그 상하부에 형성된 층은 전극촉매층으로서, 촉매층의 두께와 고분자막의 두께는 도3의 것과 거의 비슷하였다. 그러나 도4에서는 중앙부의 고분자막 가운데에 복합화시킨 다공성 PTFE 멤브레인이 위치하고 있는 것이 도3과 상이한 점이다.Figure 4 is a scanning electron micrograph of the cross section of the composite membrane / electrode assembly produced through the above manufacturing process. In the photograph of Fig. 4, the central portion is a polymer membrane and the layers formed on the upper and lower portions thereof are electrode catalyst layers, and the thickness of the catalyst layer and the thickness of the polymer membrane are almost similar to those of Fig. 3. However, in FIG. 4, the composite porous PTFE membrane is located in the middle of the polymer membrane at the center, which is different from FIG. 3.

다공성 PTFE 멤브레인은 본 발명에서 의도한 바와 같이 고분자막 중앙부분에 정확하게 위치하여 있고, 또한 멤브레인 중앙부에 위치한 다공성 PTFE 멤브레인부를 확대하여 보았을 때, 고분자막이 다공성 PTFE 멤브레인의 공극 부분에 치밀하게잘 채워져 있어 기공이 없는 복합체 고분자막으로 제조되었음을 알 수 있었다.The porous PTFE membrane is precisely positioned in the center of the polymer membrane as intended in the present invention, and when the expanded PTFE membrane portion located in the center of the membrane is enlarged, the polymer membrane is densely filled in the pores of the porous PTFE membrane, so that the pores It was found that the composite polymer membrane was not prepared.

아울러 복합체 고분자막에 접착시킨 전극도 균일한 계면을 형성하고 연속적으로 잘 접합되어 있음을 알 수 있고, 그 계면에 탈층화의 징후가 전혀 나타나고 있지 않음을 알 수 있다. 표면에 대한 관찰에서도 전극촉매층은 다공성 구조(porous structure)를 형성하고 있고, 다공성의 Pt/C 덩어리(agglomerate)가 서로 근접된 상태로 균일한 기공 분포(uniform pore-distribution)로 되어 있음을 알 수 있었다.In addition, it can be seen that the electrode bonded to the composite polymer film also forms a uniform interface and is well bonded in succession, and no sign of delamination appears at the interface. The observation on the surface shows that the electrocatalyst layer forms a porous structure, and the uniform pore-distribution of porous Pt / C agglomerates is in close proximity to each other. there was.

본 발명에 의해서 얻어진 복합체 고분자막/전극 접합체의 성능을 비교 평가하기 위하여 여러 가지 고분자막/전극 접합체를 제작하여 단위전지(single cell)에서 이들의 성능을 측정하였다.In order to evaluate and evaluate the performance of the composite polymer membrane / electrode assembly obtained by the present invention, various polymer membrane / electrode assemblies were prepared and their performance was measured in a single cell.

이를 위하여 다공성 PTFE 멤브레인을 복합화시킨 복합체 고분자막과 복합화시키지 않은 단일 고분자막을 제작하여 고분자막/전극 접합체를 상기 공정에 따라서 각각 제조하였다. 또한 본 발명에서 제조한 복합체 고분자막의 성능을 상용 멤브레인과 비교 평가하기 위하여 동일한 전극을 나피온 115 멤브레인에 부착시켜서 나피온 고분자막/전극 접합체를 제조하여 성능 평가에 사용하였다.To this end, a single polymer membrane which was not complexed with the composite polymer membrane in which the porous PTFE membrane was complexed was prepared, and a polymer membrane / electrode assembly was prepared according to the above process. In addition, to compare the performance of the composite polymer membrane prepared in the present invention with a commercial membrane, the same electrode was attached to the Nafion 115 membrane to prepare a Nafion polymer membrane / electrode assembly, which was used for performance evaluation.

고분자막/전극 접합체의 성능 평가를 위하여 먼저 고분자막/전극 접합체를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 고분자막/전극 접합체의 양면에는 테프론 처리 카본천(teflonized carbon cloth)을 각각 위치시켰다. 상기 테프론 처리 카본천은 고분자막/전극 접합체를 지지하는 역할을 함과 아울러 고분자막/전극 접합체에 반응하는 가스를 확산시키기 위하여 적절하게 분산시키는 소수성 분산 네트워트(hydrophobic distribution network)를 제공하게 된다. 상기 조립체를 가스 유출입구와 이브 채널을 갖는 2개의 카본 플레이트 사이에 삽입한 후 이를 2개의 구리 엔드-플레이트(end-plate) 사이에서 압착하여 단위전지를 제작하였다. 상기 단위전지의 활성 전극면적(active electrode area)은 50cm2이었다.In order to evaluate the performance of the polymer membrane / electrode assembly, first, the polymer membrane / electrode assembly was inserted between two gaskets, and then teflonized carbon cloth was placed on both sides of the polymer membrane / electrode assembly. The Teflon-treated carbon cloth serves to support the polymer membrane / electrode assembly as well as provide a hydrophobic distribution network that is appropriately dispersed to diffuse the gas reacting with the polymer membrane / electrode assembly. The assembly was inserted between two carbon plates having a gas outlet and an eve channel and then pressed between two copper end-plates to produce a unit cell. The active electrode area of the unit cell was 50 cm 2 .

성능 측정에 사용된 연료전지 시험장치는 다수 개의 온도조절기와 유량계 및 외부 가습기(external humidifier)를 구비하고 있으며, 단위전지의 성능평가를 위하여 최대 허용한도 3kW의 전자 부하(electronic load)를 사용하였다.The fuel cell test apparatus used for the performance measurement was equipped with a plurality of thermostats, a flow meter and an external humidifier, and an electronic load having a maximum allowable limit of 3 kW was used for the performance evaluation of the unit cell.

도5는 단일 멤브레인 또는 복합체 멤브레인과 20 중량비 Pt/C 촉매를 사용하여 제작한 고분자막/전극 접합체의 단위전지 성능을 전류밀도 대 전지전압간의 변화를 보인 그래프이다. 단위전지의 성능은 연료극 및 산소극 가스로 수소와 산소를 각각 1기압으로 공급하면서 80℃의 온도에서 측정하였다.FIG. 5 is a graph showing unit cell performance of a polymer membrane / electrode assembly prepared using a single membrane or a composite membrane and a 20 weight ratio Pt / C catalyst. The performance of the unit cell was measured at a temperature of 80 ° C. while supplying hydrogen and oxygen at a pressure of 1 atm for the anode and the cathode electrodes.

단일 멤브레인으로 제작한 고분자막/전극 접합체는 0.6V의 전지전압에서 0.58 A/cm2의 전류밀도를 나타내었으며, 복합체 고분자막 1과 2를 사용한 경우에는 동일한 조건에서 각각 0.62 A/cm2및 0.46 A/cm2의 전류밀도를 나타내었다. 복합체 고분자막을 사용한 고분자막/전극 접합체가 다른 고분자막/전극 접합체보다 더 높은 성능을 나타내었다. 성능 측정에 사용한 단일 고분자막의 두께는 약 100μm이고 복합체 고분자막 1과 2는 각각 약 80μm와 120μm이였다. 복합체 고분자막 1의 두께가 가장 얇고 복합체 고분자막 2는 나피온 115의 두께와 거의 비슷하였다.The polymer membrane / electrode assembly made of a single membrane exhibited a current density of 0.58 A / cm 2 at a cell voltage of 0.6 V. When the composite polymer membranes 1 and 2 were used, 0.62 A / cm 2 and 0.46 A / A current density of cm 2 is shown. The polymer membrane / electrode assembly using the composite polymer membrane showed higher performance than the other polymer membrane / electrode assembly. The thickness of the single polymer membrane used for performance measurement was about 100 μm and the composite polymer membranes 1 and 2 were about 80 μm and 120 μm, respectively. The thickness of the composite polymer membrane 1 was the thinnest and the composite polymer membrane 2 was about the same as that of Nafion 115.

고분자막의 두께를 고려한 경우에, 복합체 고분자막을 사용한 고분자막/전극접합체의 성능이 단일 멤브레인으로 제작한 고분자막/전극 접합체의 성능과 비슷함을 있었다. 다공성 PTFE 멤브레인이 80 ∼ 90%의 높은 공극율을 가지고 있기 때문에 고분자막에 삽입한 다공성 PTFE 멤브레인이 복합체 고분자막을 사용한 고분자막/전극 접합체의 성능 저하에 아주 심한 영향을 주지 않는 것으로 판단된다.Considering the thickness of the polymer membrane, the performance of the polymer membrane / electrode assembly using the composite polymer membrane was similar to that of the polymer membrane / electrode assembly made of a single membrane. Since the porous PTFE membrane has a high porosity of 80 to 90%, it is judged that the porous PTFE membrane inserted into the polymer membrane does not significantly affect the performance degradation of the polymer membrane / electrode assembly using the composite polymer membrane.

도6은 복합체 고분자막 2와 나피온 115막을 각각 사용한 고분자막/전극 접합체의 성능을 나타낸 것으로, 두 경우 모두 동일하게 20 중량비 Pt/C를 촉매로 사용하고 수소와 산소를 반응가스로 사용하여 80℃의 1기압에서 측정하여 얻은 성능이다. 복합체 고분자막 2와 나피온 115막을 각각 사용한 고분자막/전극 접합체는 0.6V의 전지전압에서 각각 0.46 A/cm2과 0.56 A/cm2의 전류밀도, 0.7V에서 각각 0.3 A/cm2과 0.31 A/cm2의 전류밀도를 나타내었다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이 복합체 고분자막 2를 사용한 고분자막/전극 접합체가 나피온 115막을 사용한 고분자막/전극 접합체의 성능은 고전류밀도 영역에서는 거의 비슷하고, 저전류밀도 영역에서도 큰 차이가 나지 않음을 알 수 있었다.FIG. 6 shows the performance of the polymer membrane / electrode assembly using the composite polymer membrane 2 and the Nafion 115 membrane, respectively, in both cases using 20 wt% Pt / C as the catalyst and hydrogen and oxygen as the reaction gas. This is the performance obtained by measuring at 1 atmosphere. The polymer membrane / electrode assembly using the composite polymer membrane 2 and the Nafion 115 membrane, respectively, had a current density of 0.46 A / cm 2 and 0.56 A / cm 2 at a battery voltage of 0.6 V and 0.3 A / cm 2 and 0.31 A / at 0.7 V, respectively. A current density of cm 2 is shown. As can be seen in FIG. 7, the performance of the polymer membrane / electrode assembly using the Nafion 115 membrane of the polymer membrane / electrode assembly using the composite polymer membrane 2 is almost the same in the high current density region, and does not show much difference in the low current density region. Could.

다공성 지지체 재료에 나피온 용액을 캐스팅하여 제조한 상기 방식의 복합체막은 기존의 나피온막보다 가스 투과성(gas permeability)이 높고, 반응 연료나 산화제의 크로스오버(reactants crossover)가 많아서 연료전지 내에서 이들이 상호 혼합(intermixing)된다는 문제점이 지적되고 있다. 그러므로, 나피온 용액을 다공성 지지체 재료에 캐스팅하여 제조한 복합체막의 고분자막/전극 접합체는 일반 상용 멤브레인을 사용한 고분자막/전극 접합체의 성능보다도 상당히 낮아진다. 그러나, 다공성 PTFE 멤브레인(porous PTFE membrane)과 퍼플루오로설포닐플로라이드 공중합체 레진(perfluorosulfonylfluoride copolymer resin)으로 제조한 복합체 고분자막과 나피온 115 고분자막을 사용한 고분자막/전극 접합체의 성능이 서로 비슷하였다. 따라서, 본 발명에 의해서 얻어진 복합체 분자막과 복합체 고분자막/전극 접합체가 고분자 연료전지용으로 사용될 수 있음을 확인하였다.The composite membrane prepared by casting a Nafion solution on a porous support material has a higher gas permeability than conventional Nafion membranes, and has more reactant or oxidant crossovers in the fuel cell. The problem of intermixing has been pointed out. Therefore, the polymer membrane / electrode assembly of the composite membrane prepared by casting Nafion solution on the porous support material is considerably lower than the performance of the polymer membrane / electrode assembly using a common commercial membrane. However, the performances of composite polymer membranes made of porous PTFE membrane and perfluorosulfonylfluoride copolymer resin and polymer membrane / electrode assembly using Nafion 115 polymer membrane were similar. Therefore, it was confirmed that the composite molecular membrane and the composite polymer membrane / electrode assembly obtained by the present invention can be used for a polymer fuel cell.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 상기 열간가압 또는 롤링 처리에 의해 프리폼 전구체 막은 그 표면에서의 용융이 발생하게 되고, 그 결과로 PTFE 멤브레인의 공극(pore) 내부로 용융된 프리폼 전구체가 매입되어 2장의 프리폼 전구체와 PTFE 멤브레인은 완전히 결합된 복합체 고분자막을 만들기 때문에, 종래의 다공성 지지체 재료에 나피온 용액을 캐스팅하여 제조한 고분자막에 비하여, 가스 투과성(gas permeability)이 낮고, 반응 연료나 산화제의 크로스오버(reactants crossover)가 적어서 연료전지 내에서 이들이 상호 혼합(intermixing)되어 연료전지 성능을 저하시키는 문제점을 해소할 수 있는 장점이 있다.As described above, according to the present invention, the hot pressing or rolling treatment causes the preform precursor film to melt on its surface. As a result, the molten preform precursor is embedded into the pores of the PTFE membrane. Since the enteric preform precursor and the PTFE membrane form a fully bonded composite polymer membrane, the gas permeability is lower and the crossover of the reactive fuel or the oxidant is lower than that of the polymer membrane prepared by casting a Nafion solution on a conventional porous support material. (reactants crossover) is less, there is an advantage that can solve the problem that they are intermixed in the fuel cell to reduce the fuel cell performance.

그리고, 본 발명에 의한 복합체 고분자막의 제조방법에 의하면, 고분자 연료전지의 멤브레인으로 사용되는 고가인 고분자막의 가격을 낮추고, 두께가 아주 얇은 전해질 고분자막을 제조할 수 있으며, 고분자막의 팽창과 수축을 줄여서 안정한 기계적 물성을 얻을 수 있고, 또한 종래의 나피온 용액을 사용하는 복합체 고분자막 제조방법에 비해서 제조공정이 간단하고, 제조비용과 제조시간을 단축시킬 수 있다는 이점이 있다.In addition, according to the manufacturing method of the composite polymer membrane according to the present invention, it is possible to reduce the price of the expensive polymer membrane used as the membrane of the polymer fuel cell, to produce a very thin electrolyte polymer membrane, and to reduce the expansion and contraction of the polymer membrane Mechanical properties can be obtained, and the manufacturing process is simpler, and manufacturing costs and manufacturing time can be shortened, compared with the conventional method for producing a composite polymer membrane using Nafion solution.

Claims (9)

퍼플루오로설포닐플로라이드/티에프이 공중합체 레진 (perfluorosulfonylfluoride/TFE copolymer resin)을 200 ∼ 250℃의 온도에서 열간가압(hot pressing) 또는 롤링 공정(rolling process)으로 프리폼 전구체 시트(pre-formed precursor sheet)로 성형하는 단계와,Pre-formed precursor sheet by hot pressing or rolling process of perfluorosulfonylfluoride / TFE copolymer resin at a temperature of 200-250 ° C Molding), 상기 프리폼 전구체 시트의 중간에 다공성 멤브레인(porous membrane)을 삽입하고 200 ∼ 250℃의 온도에서 열간가압 또는 롤링공정에 의해 프리폼 전구체 막의 표면이 용융되어 다공성 멤브레인의 공극 내부로 용융된 프리폼 전구체 막이 매입되도록 하여 프리폼 전구체와 다공성 멤브레인이 완전히 결합된 복합체 시트(composite sheet)로 성형되도록 하는 단계와,Inserting a porous membrane in the middle of the preform precursor sheet and the surface of the preform precursor membrane is melted by hot pressing or rolling at a temperature of 200 ~ 250 ℃ to embed the molten preform precursor membrane into the pores of the porous membrane To form the preform precursor and the porous membrane into a fully bonded composite sheet, 상기 복합체 시트를 5 ∼ 30 중량비의 가성소다 수용액 중에서 처리하여 복합체 퍼플루오로설포닐플로라이드/티에프이 공중합체 레진으로 이루어진 복합체 프리폼 시트를 Na+형태로 된 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막(composite perfluorosulfonate polymer membrane)으로 전환시키는 단계와,The composite sheet was treated in an aqueous solution of caustic soda at a ratio of 5 to 30% by weight to prepare a composite preform sheet composed of the composite perfluorosulfonyl fluoride / TF copolymer resin in the form of Na + composite perfluorosulfonate polymer. membrane), 상기 Na+형태로 된 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막을 0.1 ∼ 1M 황산 수용액 중에서 부가적인 수화처리를 하여서 H+형태로 된 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막으로 전환시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 복합체 고분자막 제조방법.A polymer fuel comprising the step of converting the composite perfluorosulfonate polymer membrane in Na + form into a composite perfluorosulfonate polymer membrane in H + form by additional hydration in 0.1-1 M sulfuric acid aqueous solution. Method for producing a composite polymer membrane for batteries. 제1항에 있어서, 상기 퍼플루오로설포닐플로라이드/티에프이 전구체 레진은 20 ∼ 200μm의 입도 분포를 갖는 구형입자로 이루어진 분말 또는 크기가 약 3.6(L) x 2.4(W) x 1.5(T) (mm)인 타원형 입자인 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 복합체 고분자막 제조방법.The powder of claim 1, wherein the perfluorosulfonyl fluoride / TF precursor resin consists of spherical particles having a particle size distribution of 20-200 μm or about 3.6 (L) x 2.4 (W) x 1.5 (T). Method for producing a composite polymer film for a polymer fuel cell, characterized in that the (mm) oval particles. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 멤브레인은 두께 15∼100 μm, 기공 크기 1 ∼ 3μm, 기공율 80 ∼ 90% 범위인 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 복합체 고분자막 제조방법.The method of claim 1, wherein the porous membrane has a thickness of 15 to 100 µm, a pore size of 1 to 3 µm, and a porosity of 80 to 90%. 퍼플루오로설포닐플로라이드/티에프이 공중합체 레진 (perfluorosulfonylfluoride/TFE copolymer resin)을 200 ∼ 250℃의 온도에서 열간가압(hot pressing) 또는 롤링 공정(rolling process)으로 프리폼 전구체 시트(pre-formed precursor sheet)로 성형하는 단계와,Pre-formed precursor sheet by hot pressing or rolling process of perfluorosulfonylfluoride / TFE copolymer resin at a temperature of 200-250 ° C Molding), 상기 프리폼 전구체 시트의 중간에 다공성 멤브레인(porous membrane)을 삽입하고 200 ∼ 250℃의 온도에서 열간가압 또는 롤링공정에 의해 프리폼 전구체 막의 표면이 용융되어 다공성 멤브레인의 공극 내부로 용융된 프리폼 전구체 막이 매입되도록 하여 프리폼 전구체와 다공성 멤브레인이 완전히 결합된 복합체시트(composite sheet)로 성형되도록 하는 단계와,Inserting a porous membrane in the middle of the preform precursor sheet and the surface of the preform precursor membrane is melted by hot pressing or rolling at a temperature of 200 ~ 250 ℃ to embed the molten preform precursor membrane into the pores of the porous membrane To form the preform precursor and the porous membrane into a fully bonded composite sheet, 상기 복합체 시트를 5 ∼ 30 중량비의 가성소다 수용액 중에서 처리하여 복합체 퍼플루오로설포닐플로라이드/티에프이 공중합체 레진으로 이루어진 복합체 프리폼 시트를 Na+형태로 된 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막(composite perfluorosulfonate polymer membrane)으로 전환시키는 단계와,The composite sheet was treated in an aqueous solution of caustic soda at a ratio of 5 to 30% by weight to prepare a composite preform sheet composed of the composite perfluorosulfonyl fluoride / TF copolymer resin in the form of Na + composite perfluorosulfonate polymer. membrane), Na+형태로 된 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막에 백금계통의 촉매 잉크(catalyst ink)를 코팅하는 단계와, 촉매잉크가 코팅된 복합체 고분자막을 120 ∼ 200℃의 온도에서 열간가압하여 복합체 고분자막/전극 접합체(composite polymer membrane/electrode assembly, MEA)를 제조하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 복합체 고분자막/전극 접합체의 제조방법.Coating a platinum-based catalyst ink on the composite perfluorosulfonate polymer membrane in Na + form, and hot-pressurizing the composite polymer membrane coated with the catalyst ink at a temperature of 120 to 200 ° C. A method of manufacturing a composite polymer membrane / electrode assembly for a polymer fuel cell, characterized in that it comprises a step of manufacturing a composite (membrane polymer membrane / electrode assembly, MEA). 제4항에 있어서, 최종 공정의 수행 이후에 부가적으로 복합체 고분자막/전극 접합체를 0.1 ∼ 1M 황산 수용액 중에서 수화처리하여 H+형태로 된 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막으로 전환시키는 공정이 수행됨을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 복합체 고분자막/전극 접합체의 제조방법.5. The method of claim 4, wherein after performing the final process, a process of additionally hydrating the composite polymer membrane / electrode assembly in a 0.1-1 M sulfuric acid aqueous solution to convert the composite polymer membrane into H + form into a composite perfluorosulfonate polymer membrane is carried out. A method for producing a composite polymer membrane / electrode assembly for a polymer fuel cell. 제4항에 있어서, 상기 촉매 잉크는 백금(Pt)과 백금(Pt)-루테늄(Ru)이 입혀진 탄소분말(Pt/C, Pt-Ru/C), 나피온 용액, 글리세롤(glycerol) 및 테트라부틸 암모늄 하이드록사이드(TBAOH)로 이루어짐을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 복합체 고분자막/전극 접합체의 제조방법.The method of claim 4, wherein the catalyst ink is carbon (Pt / C, Pt-Ru / C) coated with platinum (Pt) and platinum (Pt)-ruthenium (Ru), Nafion solution, glycerol (tetra) and tetra Method for producing a composite polymer membrane / electrode assembly for a polymer fuel cell, characterized in that consisting of butyl ammonium hydroxide (TBAOH). 제4항에 있어서, 상기 촉매 잉크의 코팅은 스크린 프린팅법(screen printing), 스프레이법(spray) 또는 닥터 블레이드법(doctor blade) 중의 어느 한 방식에 의해 수행됨을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 복합체 고분자막/전극 접합체의 제조방법.The composite polymer membrane for polymer fuel cells according to claim 4, wherein the coating of the catalyst ink is performed by any one of a screen printing method, a spray method, or a doctor blade method. Method for producing an electrode assembly. 퍼플루오로설포닐플로라이드/티에프이 공중합체 레진 (perfluorosulfonylfluoride/TFE copolymer resin)을 200 ∼ 250℃의 온도에서 열간가압(hot pressing) 또는 롤링 공정(rolling process)으로 프리폼 전구체 시트(pre-formed precursor sheet)로 성형하는 단계와,Pre-formed precursor sheet by hot pressing or rolling process of perfluorosulfonylfluoride / TFE copolymer resin at a temperature of 200-250 ° C Molding), 상기 프리폼 전구체 시트의 중간에 다공성 멤브레인(porous membrane)을 삽입하고 200 ∼ 250℃의 온도에서 열간가압 또는 롤링공정에 의해 프리폼 전구체 막의 표면이 용융되어 다공성 멤브레인의 공극 내부로 용융된 프리폼 전구체 막이 매입되도록 하여 프리폼 전구체와 다공성 멤브레인이 완전히 결합된 복합체 시트(composite sheet)로 성형되도록 하는 단계와,Inserting a porous membrane in the middle of the preform precursor sheet and the surface of the preform precursor membrane is melted by hot pressing or rolling at a temperature of 200 ~ 250 ℃ to embed the molten preform precursor membrane into the pores of the porous membrane To form the preform precursor and the porous membrane into a fully bonded composite sheet, 상기 복합체 시트를 5 ∼ 30 중량비의 가성소다 수용액 중에서 처리하여 복합체 퍼플루오로설포닐플로라이드/티에프이 공중합체 레진으로 이루어진 복합체 프리폼 시트를 Na+형태로 된 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막(composite perfluorosulfonate polymer membrane)으로 전환시키는 단계와,The composite sheet was treated in an aqueous solution of caustic soda at a ratio of 5 to 30% by weight to prepare a composite preform sheet composed of the composite perfluorosulfonyl fluoride / TF copolymer resin in the form of Na + composite perfluorosulfonate polymer. membrane), 상기 Na+형태로 된 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막을 0.1 ∼ 1M 황산 수용액 중에서 부가적인 수화처리를 하여서 H+형태로 된 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막으로 전환시키는 단계와,Converting the composite perfluorosulfonate polymer membrane in Na + form into a composite perfluorosulfonate polymer membrane in H + form by additional hydration in 0.1-1 M sulfuric acid aqueous solution; 상기 H+형태의 복합체 퍼플루오로설포네이트 고분자막에 전극을 열간가압법으로 압착하는 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 복합체 고분자막/전극 접합체의 제조방법.A method of manufacturing a composite polymer membrane / electrode assembly for a polymer fuel cell, characterized in that the electrode is pressed to the H + type composite perfluorosulfonate polymer membrane by hot pressing. 제8항에 있어서, 상기 전극은,The method of claim 8, wherein the electrode, 백금(Pt)과 백금(Pt)-루테늄(Ru)이 입혀진 탄소분말(Pt/C, Pt-Ru/C), 테프론(PTFE) 용액, 가교제 및 해교제로 제조한 촉매 슬러리를 전극지지체인 방수처리한 탄소종이 또는 탄소천 위에 스크린 프린팅법, 스프레이법 또는 닥터 블레이드법으로 균일하게 코팅하는 공정과,A catalyst slurry made of platinum (Pt) and platinum (Pt) -ruthenium (Ru) coated carbon powder (Pt / C, Pt-Ru / C), Teflon (PTFE) solution, crosslinking agent and peptizing agent is waterproofed as electrode support Uniformly coating on one carbon paper or carbon cloth by screen printing, spraying or doctor blade method; 코팅된 전극을 200 ∼ 250℃의 불활성 가스 분위기 중에서 건조시키는 공정과,Drying the coated electrode in an inert gas atmosphere at 200 to 250 캜; 건조된 전극을 300 ∼ 370℃의 불활성 가스 분위기 중에서 10 ∼ 50분간 소결하는 공정을 통해서 제조됨을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 복합체 고분자막/전극 접합체의 제조방법.A method of manufacturing a composite polymer membrane / electrode assembly for a polymer fuel cell, characterized in that the dried electrode is manufactured through a process of sintering for 10 to 50 minutes in an inert gas atmosphere at 300 to 370 ° C.
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