KR20060002661A - 무가습 폴리머전해질 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 새로운 무가습 폴리머전해질을 제공하며, 또한, 새로운 무가습 폴리머전해질을 채용한 연료전지를 제공한다. 본 발명에서 제공하는 무가습 폴리머전해질은, 100 ℃ 이상의 끓는점과 3 이상의 유전상수를 갖는 유기화합물로 구성되어 있는 이온매질; 및 이온전도성 폴리머로 구성되어 있는 매트릭스를 포함하고 있으며, 이때, 상기 이온 매질이 상기 매트릭스 내에 함침되어 있다.

Description

무가습 폴리머전해질 {Non-humidified polymer electrolyte}
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 폴리머전해질과 비교예의 폴리머전해질의 온도에 따른 이온전도도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 폴리머전해질과 비교예의 폴리머전해질의, 120 ℃에서 시간경과에 따른 이온전도도의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 폴리머전해질(polymer electrolyte)에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 무가습 폴리머전해질(non-humidified polymer electrolyte)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 무가습 폴리머전해질을 채용한 연료전지에 관한 것이다.
그 폴리머 사슬 중에 해리기를 갖는 폴리머를 폴리머전해질이라 한다. 폴리머전해질이 물과 접촉하면, 그 해리기가 해리되어 이온을 형성한다.
폴리머전해질막이라 함은 그러한 폴리머전해질을 주성분으로 하여 형성된 막형태의 구조체를 의미한다. 폴리머전해질막의 재료로 사용되는 폴리머전해질은 통상적으로 비수용성 폴리머이다. 폴리머전해질막에 있어서, 폴리머전해질은 해리기 제공자의 역할 뿐만아니라, 막 구조를 유지시키는 매트릭스(matrix)의 역할을 겸한 다.
폴리머전해질이 이온전도체(ion conductor)로서 작용하기 위해서는, 이온매질(ion medium)이 폴리머전해질 매트릭스 내에 함습되어 있어야 한다. 이온매질로서는 일반적으로 물이 사용된다.
본 명세서에서, 폴리머전해질이라는 용어는, 폴리머전해질 매트릭스 그 자체 뿐만아니라, "이온매질이 함침되어 있는 폴리머전해질 매트릭스"도 포괄하는 의미로 사용된다.
폴리머전해질의 주된 용도는 이온교환막 또는 이온전도막의 재료로서 사용되는 것이다. 폴리머전해질이 이온전도막으로서 사용되는 구체적인 예 중의 하나가 폴리머전해질막 연료전지 (PEMFC : polymer electrolyte membrane fuel cell)이다.
잘 알려져 있는 바와 같이, 연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 화력발전과는 달리 카르노 사이클을 거치지 아니하므로 그 이론적인 발전 효율이 매우 높다. 연료전지는 산업용, 가정용 및 차량구동용 전력의 공급뿐만아니라, 소형의 전기/전자 제품, 특히 휴대용 장치의 전력공급에도 적용될 수 있다.
연료전지는, 사용되는 전해질의 종류에 따라, PEMFC, 인산 연료전지 (PAFC : phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지 (MCFC : molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지 (SOFC : solid oxide fuel cell) 등으로 구분될 수 있다. 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다.
연료전지는, 애노드에 대한 연료 공급방식에 따라, 연료개질기를 통하여 연료를 수소부화가스로 전환시킨 후 애노드에 공급하는 외부개질형과, 기체 또는 액체 상태의 연료 (비제한적인 예를 들면, 메탄올 수용액, 천연가스, 등)를 직접 애노드에 공급하는 연료직접공급형 또는 내부개질형으로 구분될 수 있다.
연료직접공급형의 대표적인 예는 직접메탄올연료전지 (DMFC : direct methanol fuel cell)이다. 직접 메탄올 연료전지는 일반적으로 연료로서 메탄올 수용액을, 전해질로서 수소이온전도성 폴리머전해질막을 사용한다. 따라서, DMFC도 PEMFC에 속한다.
PEMFC는 소형 및 경량이어도 높은 출력밀도를 구현할 수 있다. 더욱이, PEMFC를 사용하면, 발전 시스템의 구성이 간단해진다.
PEMFC의 기본 구조는 통상적으로, 애노드(연료 전극), 캐소드(산화제 전극), 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 폴리머전해질막을 포함한다. PEMFC의 애노드에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있으며, PEMFC의 캐소드에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있다.
PEMFC의 애노드에 공급되는 연료로서는 통상적으로, 수소, 수소 함유 가스, 메탄올과 물의 혼합 증기, 메탄올 수용액 등이 사용된다. PEMFC의 캐소드에 공급되는 산화제는 통상적으로 산소, 산소 함유 가스 또는 공기이다.
PEMFC의 애노드에서는, 연료가 산화되어 수소이온과 전자가 생성된다. 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드로 전달되며, 전자는 도선(또는 집전체)을 통하여 외부회로(부하)로 전달된다. PEMFC의 캐소드에서는, 전해질막을 통하여 전달된 수 소이온, 도선(또는 집전체)을 통하여 외부회로로부터 전달된 전자, 및 산소가 결합하여 물이 생성된다. 이때, 애노드, 외부회로 및 캐소드를 경유하는 전자의 이동이 곧 전력이다.
PEMFC에 있어서, 폴리머전해질막은, 애노드로부터 캐소드로의 수소이온의 이동을 위한 이온전도체의 역할을 할 뿐만아니라, 애노드와 캐소드의 기계적 접촉을 차단하는 격리막(separator)의 역할도 한다. 따라서, 폴리머전해질막에 대하여 요구되는 특성은, 우수한 이온전도도, 전기화학적 안전성, 강한 기계적 강도, 작동온도에서의 열안정성, 박막화의 용이성 등이다.
폴리머전해질막의 재료로서는, 일반적으로, 불소화 알킬렌으로 구성된 주쇄와 말단에 술폰산기를 갖는 불소화비닐 에테르로 구성된 측쇄를 갖는 술포네이트고불화폴리머 (예: Nafion : Dupont사의 상표)와 같은 폴리머전해질이 사용되고 있다. 이러한 폴리머전해질막은 적정량의 물을 함습하므로써 우수한 이온전도성을 발휘하게 된다.
그러나, 이러한 전해질막은, 100℃ 이상의 작동온도에서, 증발에 의한 수분손실로 인하여 이온전도성이 심각하게 저하되어서 전해질막으로서의 기능을 상실하게 된다. 따라서, 이러한 폴리머전해질막을 사용하는 PEMFC를, 상압하에서 그리고 100 ℃ 이상의 온도에서 작동시키는 것은 거의 불가능하다. 그리하여, 종래의 PEMFC는 주로 100 ℃ 이하의 온도, 비제한적인 예를 들면 약 80 ℃에서, 작동되어 왔다.
또한, 폴리머전해질은, PEMFC, DMFC 등과 같은 연료전지에 채용되는 전극의 촉매층에도 사용될 수 있다. 상기 촉매층은 일반적으로 전기화학적 반응을 촉진시키는 촉매와, 상기 촉매에 대한 이온출입통로의 역할 및 바인더의 역할을 하는 이오노머를 포함한다. 폴리머전해질은 그러한 이오노머로서 사용될 수 있다. 만약 촉매층의 이오노머로서 사용된 폴리머전해질에서 수분 손실이 발생하면, 폴리머전해질은 더 이상 이온출입통로의 역할을 할 수 없게되고, 그에 따라, 촉매층의 전기화학반응은 중단 된다.
PEMFC가 약 100 ℃ 이하의 낮은 온도에서 작동되는 경우에, 다음과 같은 문제점이 발생하는 것으로 알려져 있다. PEMFC의 대표적인 연료인 수소부화가스(hydrogen-rich gas)는 천연가스 또는 메탄올과 같은 유기연료를 개질하여 얻는다. 이러한 수소부화가스는 부산물로서 이산화탄소 뿐만아니라 일산화탄소를 함유한다. 일산화탄소는 캐소드와 애노드에 함유되어 있는 촉매를 피독시키는 경향이 있다. 일산화탄소로 피독된 촉매의 전기화학적 활성은 크게 저하되고 그에 따라 PEMFC의 작동효율 및 수명도 심각하게 감소된다. 주목할 점은, 일산화탄소가 촉매를 피독시키는 경향은 PEMFC의 작동온도가 낮을 수록 심화된다는 것이다.
이러한 일산화탄소에 의한 촉매 피독 현상은, PEMFC의 또 다른 대표적인 연료인 메탄올을 연료로 사용하는 경우에도 마찬가지로 발생한다. 메탄올은 메탄올 수용액 (또는 물과 메탄올의 혼합 증기)의 형태로서 PEMFC의 애노드에 공급된다. 애노드에서 메탄올과 물이 반응하여 수소이온과 전자가 생성되는데, 이때, 부산물로서 이산화탄소 뿐만아니라 일산화탄소도 발생된다.
또한, 약 100 ℃ 이하의 저온에서 작동되는 PEMFC는 열병합발전을 구현하기 에도 적합하지 않다.
PEMFC의 작동온도를 100 ℃ 이상으로 상승시키기 위하여, PEMFC에 가습장치를 장착하거나 PEMFC를 가압 조건하에서 운전하는 방안, 가습을 요하지 않는 폴리머전해질을 사용하는 방안 등이 제안된 바 있다.
PEMFC를 가압 조건 하에서 운전하는 경우, 물의 끓는점이 상승하므로, 작동온도를 상승시킬 수 있다. 예를 들어, PEMFC의 작동 압력이 2 기압이면, 그 작동 온도를 약 120 ℃ 까지 상승시킬 수 있다. 그러나, 가압 시스템을 적용하거나 가습장치를 장착하면, PEMFC의 크기 및 중량이 매우 증가할 뿐만아니라, 발전 시스템의 전체 효율도 감소한다.
그리하여, PEMFC의 활용범위를 극대화시키기 위해서, "무가습 폴리머전해질", 즉, 가습하지 않아도 우수한 이온전도도를 발휘하는 폴리머전해질에 대한 수요가 증가하고 있다.
무가습 폴리머전해질의 예는 일본 공표특허공보 평11-503262호에 소개되어 있다. 이 문헌에서는, 무가습 폴리머전해질로서, 폴리벤조이미다졸, 황산 또는 인산이 도핑된 폴리벤조이미다졸, 등과 같은 몇가지의 재료를 개시하고 있다.
본 발명에서는 새로운 무가습 폴리머전해질을 제공한다.
본 발명에서는 또한, 새로운 무가습 폴리머전해질을 채용한 전해질막, 전극,
및 연료전지를 제공한다.
본 발명에서 제공하는 무가습 폴리머전해질은, 100 ℃ 이상의 끓는점과 3 이상의 유전상수를 갖는 유기화합물로 구성되어 있는 이온매질; 및 이온전도성 폴리머로 구성되어 있는 매트릭스를 포함하고 있으며, 이때, 상기 이온 매질이 상기 매트릭스 내에 함침되어 있다.
본 발명에서 제공하는 폴리머전해질막은, 앞에서 설명한 본 발명의 무가습 폴리머전해질을 함유한다.
본 발명에서 제공하는 연료전지용 전극은, 촉매; 및 이오노머를 함유하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극인데, 이때, 상기 이오노머가 앞에서 설명한 본 발명의 무가습 폴리머전해질이다.
본 발명에서 제공하는 연료전지는, 캐소드, 애노드, 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고 있는데, 이때, 상기 캐소드, 애노드 및 전해질막 중의 적어도 하나가 앞에서 언급한 본 발명의 무가습 폴리머전해질을 함유한다.
본 발명에서 제공하는 무가습 폴리머전해질은, 100 ℃ 이상의 끓는점과 3 이상의 유전상수를 갖는 유기화합물을 이온매질로서 사용하고 있기 때문에, 대기압하의 100 ℃ 이상의 온도에서도, 이온매질을 상실하지 않고 우수한 이온전도성을 유지할 수 있다. 뿐만아니라, 100 ℃ 이상의 온도에서도 이온매질을 보유할 수 있기 때문에, 100 ℃ 이상의 온도에서도 이온전도성 폴리머 매트릭스의 깨짐 현상이 발생하지 않는다.
본 발명에 있어서, 3 이상의 유전상수를 갖는 유기화합물을 이온매질로서 사 용하기 때문에, 이온전도성 폴리머 매트릭스의 해리기를 용이하게 해리시킬 수 있으며, 그에 따라, 본 발명의 무가습 폴리머전해질은 우수한 이온전도도를 갖는다.
이하에서는, 본 발명의 무가습 폴리머전해질을 상세히 설명한다.
본 발명에 있어서, "폴리머전해질"이라 함은 "이온매질이 함침되어 있는 폴리머전해질 매트릭스를 포함하는 이온전도체"를 의미하며, "무가습 폴리머전해질"이라 함은 "수분을 함습하지 않아도 우수한 이온전도도를 발휘하는 폴리머전해질로서 대기압하의 100 ℃ 이상의 온도에서도 적정한 이온전도도를 유지하는 폴리머전해질"을 의미한다.
본 발명에서 제공하는 무가습 폴리머전해질은, 100 ℃ 이상의 끓는점과 3 이상의 유전상수를 갖는 유기화합물로 구성되어 있는 이온매질; 및 이온전도성 폴리머로 구성되어 있는 매트릭스를 포함하고 있으며, 이때, 상기 이온 매질이 상기 매트릭스 내에 함침되어 있다.
상기 이온매질은, 약 100 ℃ 이상, 바람직하게는 약 200 ℃ 이상, 더욱 바람직하게는 약 300 ℃ 이상의 끓는점을 갖는 유기화합물이기 때문에, 대기압 하의 약 100 ℃ 이상의 온도에서도 증발되지 않고, 상기 매트릭스 내에 존재할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 이온매질에 대하여, 100 ℃ 이상의 온도에서 액체상태를 유지하면서 이온매질로서의 기능을 발휘할 수 있는 능력이 요구되므로, 상기 끓는점의 상한치를 한정할 필요가 없다. 전형적으로는, 상기 이온매질은 약 150 내지 약 350 ℃, 더욱 바람직하게는 약 200 내지 약 300 ℃의 끓는점을 갖는다. 여기에서 언급되는 끓는점은 모두, 대기압 상태를 기준으로 한 값이다.
또한, 상기 이온매질은, 약 3 이상의 유전상수를 갖기 때문에, 상기 매트릭스를 구성하는 폴리머전해질의 해리기를 용이하게 해리시킬 수 있으며, 그에 따라 본 발명의 폴리머전해질은 우수한 이온전도도를 발휘하게 된다. 유전상수 (dielectric constant)라 함은, 축전지(콘덴서)의 두 전극 사이에 유전체를 넣었을 경우와 넣지 않았을 경우 (엄밀히는 진공일 경우)의 전기용량 (electric capacitance)의 비이다. 이온매질의 유전상수가 클 수록 폴리머전해질의 해리기를 해리하는 이온매질의 능력이 커진다. 본 발명의 발명자들이 밝혀낸 바에 의하면, 이온매질의 유전상수가 약 3 이상이면, 결과적으로 얻어지는 폴리머전해질의 이온전도도가, 이온교환막에 대하여 통상적으로 요구되는 값, 특히, PEMFC의 전해질막에 대하여 통상적으로 요구되는 값을 갖게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 이온매질의 유전상수는 클 수록 좋으므로, 유전상수의 상한치를 한정할 필요가 없다. 전형적으로는, 상기 이온매질은 약 3 내지 약 100, 더욱 바람직하게는 약 5 내지 약 90의 유전상수를 갖는다. 여기에서 언급되는 유전상수는 모두 20 ℃에서 측정한 값이다.
이온매질로서 사용되는 상기 유기화합물의 예로서는, 고리형 카보네이트 기, 고리형 카르복시산 에스테르 기, 에테르 결합 및 시안 기 중에서 선택되는 적어도 하나를 갖는 유기화합물로서, 100 ℃ 이상의 끓는점과 3 이상의 유전상수를 갖는 유기화합물들이 있으며, 이들 화합물은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
고리형 카보네이트 기를 갖는 유기화합물의 구체적인 예로서는, 4 - [CH3(OC2H4)nCH2-]-1,3-디옥솔란-2-원 ( 4 -[CH3(OC2H4)nCH2-]-1,3-dioxolan-2-one : 화학식 1 참조), 프로필렌 카보네이트 (propylene carbonate : 화학식 2 참조), 에틸렌 카보네이트 (ethylene carbonate ), 등이 있다. 이들 화합물의 끓는점과 유전상수를 표 1에 나타내었다.
<화학식 1>
Figure 112004029506336-PAT00001
화학식 1에서, n은 1 내지 10 이며, 더욱 바람직하게는 2 내지 5 이다.
<화학식 2>
Figure 112004029506336-PAT00002
고리형 카르복시산 에스테르 기를 갖는 유기화합물의 구체적인 예로서는, γ-부티로락톤 (γ-butyrolactone : 화학식 3 참조), 등이 있다. 이들 화합물의 끓는점과 유전상수를 표 1에 나타내었다.
<화학식 3>
Figure 112004029506336-PAT00003
에테르 결합을 갖는 유기화합물의 구체적인 예로서는, 트리글라임(triglyme : 화학식 4 참조), 등이 있다. 이들 화합물의 끓는점과 유전상수를 표 1에 나타내었다. 유전상수의 측정은 고주파와 마이크로파를 이용한 측정법, 커패시터를 이용한 측정법 또는 임피던스/이득-상 분석기 (HP-4194A)에 의하여 수행될 수 있다.
<화학식 4>
Figure 112004029506336-PAT00004
유기화합물 끓는점 @ 1atm, (℃) 유전상수
4 -[CH3(OC2H4)nCH2-]-1,3-디옥솔란-2-원, n=1 180 7.13
프로필렌 카보네이트 241 64.4
γ-부티로락톤 202 39.1
트리글라임 220 7.5
이러한 유기화합물은 상업적으로 용이하게 입수할 수 있으며, 잘 알려져 있 는 바와 같이 구핵치환중합법 또는 산화중합법에 의하여 제조될 수도 있다.
본 발명의 폴리머전해질에 있어서, 상기 이온매질의 함량이 너무 작으면 이온전도도가 불균일해지거나 이온전도도가 과도하게 저하될 수 있고, 너무 크면 상기 이온매질이 전극으로 스며들어 전극의 기공(기체통로)을 폐쇄시킬 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 상기 이온매질의 함량은, 상기 폴리머전해질의 전체 중량을 기준으로 하여, 약 10 내지 약 70 중량% 정도로 할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 약 30 내지 약 40 중량%일 수 있다.
본 발명의 폴리머전해질에 있어서, 상기 이온매질은 폴리머 매트릭스 내에 함침되어 있다. 상기 폴리머 매트릭스는, 해리기를 갖는 폴리머로 이루어지며, 고체 또는 겔 상태를 유지하면서 상기 이온매질을 보유한다.
상기 해리기를 갖는 폴리머는, 200 ℃ 이상의 끓는점과 20 이상의 유전상수를 갖는 유기화합물에 의하여 용해되지 않는 폴리머로서, 그 주쇄 또는 측쇄에 해리기를 갖는 임의의 폴리머이다.
본 발명에 사용되는 폴리머는, 비제한 적인 예를 들면, 술폰산기, 카르복실기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기 및 히드록시기 중에서 선택되는 하나 이상의 해리기를 갖는다.
상기 폴리머의 비제한적이고 구체적인 예를 들면, 트리플루오로에틸렌 (trifluoroethylene), 테트라플루오로에틸렌 (tetrafluoroethylene), 스티렌-디비닐 벤젠 (styrene-divinyl benzene), α,β,β-트리플루오로스티렌 (α,β,β-trifluorostyrene), 스티렌 (styrene), 이미드 (imide), 술폰 (sulfone), 포스파젠 (phosphazene), 에테르에테르 케톤 (etherether ketone), 에틸렌옥사이드 (ethylene oxide), 폴리페닐렌 설파이드 (polyphenylene sulfide) 또는 방향족기 (aromatic group)의 호모폴리머 (homopolymer) 및 코폴리머 (copolymer) 및 이들의 유도체 등으로서 그 주쇄 및 측쇄에 앞에서 언급한 해리기를 갖는 폴리머가 있다. 또한, 들 폴리머는 단독 또는 조합으로 사용될 수 있다.
상기 폴리머는, 그 주쇄 및 측쇄의 탄소원자에 결합되어 있는 불소원자의 갯수 및 수소원자의 갯수의 총합 중 에서 불소원자의 갯수가 90% 이상인, 고불화폴리머 (highly fluorinated polymer)일 수 있다.
상기 폴리머는, 측쇄의 말단에 양이온교환기로서 술포네이트 (sulfonate)를 가지며, 그 주쇄 및 측쇄의 탄소원자에 결합되어 있는 불소원자의 갯수 및 수소원자의 갯수의 총합 중 에서 불소원자의 갯수가 90% 이상인, 술포네이트고불화폴리머 (highly fluorinated polymer with sulfonate groups)일 수 있다.
또한, 상기 폴리머로서, 미국특허 제3,282,875호, 제4,358,545호, 제4,940,525호, 제5,422,411호 등에 기재되어 있는 것들을 사용할 수도 있다.
더욱 구체적인 예를 들면, MSO2CFRfCF2O[CFYCF2O]n CF=CF2 단량체로부터 만들어지는 호모폴리머, 상기 단량체; 및 에틸렌, 할로겐화 에틸렌, 퍼플루오리네이티드 α-올레핀, 퍼플루오로 알킬 비닐 에테르 중에서 선택된 하나 이상의 단량체로부터 만들어지는 코폴리머가 이용될 수 있다. 이때, Rf는 불소, 탄소수 1 내지 10의 퍼플루오로알킬기 중에서 선택되는 라디칼이며, Y는 불소, 트리플루오로메틸기 중에서 선택되는 라디칼이며, n은 1 내지 3의 정수이며, M은 불소, 히드록실기, 아미노기, -OMe기 중에서 선택되는 라디칼이다. 이때 Me는 알칼리금속, 4차 암모늄기 중에서 선택되는 라디칼이다.
또한, 불소로 실질적으로 치환된 카본 주쇄와
-O-[CFR'f]b[CFRf]aSO3Y로 표시되는 펜던트기 (pendant groups)를 갖는 폴리머도 양이온교환기를 갖는 폴리머로서 이용될 수 있다. 이때, a는 0 내지 3이며, b는 0 내지 3이며, a+b는 적어도 1이며, Rf 및 R'f는 각각, 할로겐원자, 불소로 실질적으로 치환된 알킬기 중에서 선택되며, Y는 수소 또는 알칼리금속이다.
또 다른 예로는, 불소치환된 주쇄와 ZSO2-[CF2]a-[CFRf] b-O-로 표시되는 펜던트기 (pendant groups)를 갖는 술포닉 플루오로폴리머가 있다. 이때, Z는 할로겐, 알칼리금속, 수소, 또는 -OR기이며, 이때 R은 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는 아릴기 (aryl radical)이며; a는 0 내지 2 이며; b는 0 내지 2이며; a+b는 0이 아니며; Rf는 F, Cl, 탄소수 1 내지 10의 퍼플루오로알킬기, 탄소수 1 내지 10의 플루오로 클로로알킬기 중에서 선택된다.
그 밖의 예로는,
Figure 112004029506336-PAT00005
로 표시되는 폴리머가 이용될 수 있다. 이때, m은 0보다 큰 정수이며, n, p, q 중의 적어도 하나는 0보다 큰 정수이며; A1, A2, A3는 알킬기, 할로겐원자, CyF2y+1 (y는 0보다 큰 정수 이다), OR기 (R은 알킬기, 퍼플루오로알킬기, 아릴기 중에서 선택된다), CF=CF2, CN, NO2, OH 중에서 선택되며; X는 SO3H, PO 3H2, CH2PO3H2, COOH, OSO3H, OPO3H2, OArSO3H (Ar은 방향족이다), NR3 + (R은 알킬기, 퍼플루오로알킬기, 아릴기 중에서 선택된다), CH2NR3 + (R은 알킬기, 퍼플루오로알킬기, 아릴기 중에서 선택된다) 중에서 선택된다.
본 발명에 있어서, 구체적인 폴리머의 선택은, 이온매질로서 사용되는 특정 유기화합물과의 양립성(compatibility)에 의하여 결정될 수 있다. 즉, 상기 폴리머는 고체 또는 겔 상태의 매트릭스를 형성하고 있어야 하므로, 선택된 유기화합물 이온매질에 용해되지 않는 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 충분한 함침도가 구현될 수 있도록 선택된 유기화합물이 선택된 폴리머에 잘 스며들 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 무가습 폴리머전해질의 제조방법으로서는, 해리기를 갖는 폴리머로 이루어진 임의의 형태의 매트릭스와 이온매질로서 사용되는 유기화합물을 접촉시켜서, 상기 유기화합물이 상기 매트릭스에 스며들 수 있도록 할 수 있는 모든 방법이 사용될 수 있다. 그러한 방법은 당업자에 의하여 용이하고 자명하게 선택될 수 있을 것이다.
이하에서는, 본 발명의 폴리머전해질의 막 형태의 구현예, 즉, 폴리머전해질막을 설명한다. 본 발명의 폴리머전해질막은, 앞에서 설명한 본 발명의 폴리머전해질을 포함한다.
본 발명의 폴리머전해질막의 두께에 대하여 특별한 제한은 없으나, 상기 두께가 너무 얇으면 폴리머전해질막의 강도가 과도하게 저하되고, 상기 두께가 너무 두꺼우면 두께방향 이온전도 저항값이 과도하게 증가할 수 있다. 이러한 점을 고려하여 상기 폴리머전해질막의 두께는 약 30 내지 약 200㎛ 정도로 할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 폴리머전해질막의 제조 방법을 설명한다.
본 발명의 폴리머전해질막은 통상적으로, 먼저 해리기를 갖는 폴리머전해질로 이루어진 필름을 제조한 후, 이 필름을 매트릭스로 사용하여, 이 매트릭스에 유기화합물 이온매질을 함침시키므로써, 얻을 수 있다. 폴리머전해질 필름의 제조는 통상적인 폴리머 가공법이 이용될 수 있다. 폴리머전해질 매트릭스에 대한 유기화합물 이온매질의 함침은, 예를 들면, 폴리머전해질 매트릭스를 액상의 유기화합물에 담그므로써, 수행될 수 있다.
본 발명의 폴리머전해질막의 주된 용도는 이온교환막 또는 이온전도막으로서 사용되는 것이다. 본 발명의 폴리머전해질막이 이온전도막으로서 사용되는 구체적인 예 중의 하나가 PEMFC 이다.
이하에서는, 본 발명에서 제공하는 연료전지용 전극을 상세히 설명한다.
본 발명의 연료전지용 전극은, 촉매 및 이오노머를 함유하는 촉매층을 포함 하는데, 상기 이오노머로서 앞에서 설명한 본 발명의 무가습 폴리머 전해질이 사용된다. 앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 제공하는 무가습 폴리머전해질은, 100 ℃ 이상의 끓는점과 3 이상의 유전상수를 갖는 유기화합물로 구성되어 있는 이온매질; 및 이온전도성 폴리머로 구성되어 있는 매트릭스를 포함하고 있으며, 이때, 상기 이온 매질이 상기 매트릭스 내에 함침되어 있다.
본 발명의 연료전지용 전극에 있어서, 상기 촉매는 금속촉매, 담지촉매, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 금속촉매라 함은 촉매금속입자로 구성된 촉매를 말한다. 담지촉매라함은 다공성 담체와 상기 다공성 담체에 담지되어 있는 촉매금속입자를 포함하는 촉매를 말한다.
상기 촉매금속입자로서는, 예를 들면, 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 셀레늄(Se), 주석(Sn), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 납(Pb), 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 촉매금속으로서 백금이 사용될 수 있다. 또 다른 구체적인 예를 들면, 상기 촉매금속으로서 일반적으로 백금-루테늄 합금이 사용될 수 있다. 이 경우에 백금-루테늄의 원자비는 전형적으로 약 0.5:1 내지 약 2:1 일 수 있다. 백금-루테늄 합금은 DMFC의 애노드에 특히 유용하다.
상기 촉매금속입자의 평균입자크기가 너무 작으면 촉매반응을 촉진시키지 못할 가능성이 있고, 너무 크면 전체 촉매입자의 반응 표면적이 감소하여 활성이 줄 어들 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 상기 촉매금속입자의 평균입자크기는 약 1 nm 내지 약 5 nm 정도로 할 수 있다.
상기 담지촉매에 있어서, 상기 담체로서는, 예를 들면, 카본블랙, 탄소나노튜브, 중형다공성 탄소분말 등이 사용될 수 있다.
상기 담지촉매 중의 촉매금속입자의 함량이 너무 작으면 연료전지에 적용이 불가능해질 수 있고, 너무 크면 촉매입자크기가 증가될 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 상기 담지촉매 중의 촉매금속입자의 함량은, 상기 담지촉매의 전체 중량을 기준으로 하여, 약 50 내지 약 70 중량% 일 수 있다.
상기 금속촉매 및 상기 담지촉매를 제조하기 위하여, 공지된 다양한 담지촉매 제조 방법이 사용될 수 있다. 그 대표적인 예를 들면, 담지촉매는, 담체에 촉매금속전구체 용액을 함침시킨 후, 상기 촉매금속전구체를 환원하는 방법에 의하여 제조될 수 있다. 이러한 방법은 각종 문헌에 상세히 공지되어 있으므로, 여기에서는 더 이상 상세하게 설명하지 않는다.
본 발명의 연료전지용 전극에 있어서, 상기 이오노머는 상기 촉매에 대한 이온전달통로 역할과, 촉매층의 기계적 강도를 확보하기 위한 바인더의 역할을 겸할 수 있다. 따라서, 본 발명의 연료전지용 전극에 있어서, 상기 이오노머의 함량은, 이온전달통로의 확보 및 기계적 강도의 확보를 고려하여, 적절히 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 연료전지용 전극은, 가스확산층을 더 포함할 수 있다. 가스확산층은, 상기 촉매층에 대한 반응물 및/또는 생성물의 출입이 상기 촉매층의 전체면적에 걸쳐서 고르게 일어나도록 하는 역할을 할 수 있다. 가스확산층의 재료로 서는 전기전도성을 갖는 다공성 재료가 사용될 수 있다. 가스확산층은 집전체의 역할과 반응물과 생성물의 출입통로의 역할을 한다. 가스확산층으로서는, 예를 들면, 카본페이퍼, 더욱 바람직하게는 발수처리된 카본페이퍼, 더더욱 바람직하게는 발수처리된 카본블랙층이 도포된 발수처리된 카본페이퍼일 수 있다. 발수처리된 카본페이퍼는, PTFE (polytetrafluoroethylene) 등과 같은 소수성 고분자를 포함하고 있으며, 상기 소수성 고분자는 소결 (sintering) 되어 있다. 가스확산층의 발수처리는, 액체반응물과 기체반응물에 대한 출입통로를 동시에 확보하기 위한 것이다. 발수처리된 카본블랙층을 갖는 발수처리된 카본페이퍼에 있어서, 발수처리된 카본블랙층은 카본블랙; 및 소수성 바인더로서 PTFE 등과 같은 소수성 고분자를 포함하고 있으며, 앞에서 설명한 바와 같은 발수처리된 카본페이퍼의 일면에 부착되어 있다. 발수처리된 카본블랙층의 상기 소수성 고분자는 소결되어 있다.
본 발명의 연료전지용 전극은 연료전지의 캐소드 및/또는 애노드로서 사용될 수 있다. 본 발명의 연료전지용 전극의 제조에는, 공지된 다양한 연료전지용 전극 제조 방법이 사용될 수 있다. 이러한 방법은 각종 문헌에 상세히 공지되어 있으므로, 여기에서는 더 이상 상세하게 설명하지 않는다.
이하에서는, 본 발명에서 제공하는 연료전지를 설명한다.
본 발명의 연료전지는 캐소드, 애노드, 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료전지인데, 이때, 상기 캐소드, 애노드 및 전해질막 중의 적어도 하나가 앞에서 설명한 본 발명의 무가습 폴리머전해질을 함유한다.
본 발명의 연료전지는, 예를 들면, 수소 또는 수소함유가스를 연료로 사용하는 PEMFC에 적용될 수 있으며, PEMFC의 특수한 형태로서, 메탄올과 물의 혼합증기, 또는 메탄올수용액을 연료로 사용하는 직접메탄올연료전지에도 적용될 수 있다. 본 발명의 연료전지는, 앞에서 설명한 본 발명의 무가습 폴리머전해질을 함유하므로써, 100 ℃ 이하의 작동온도 뿐만아니라 100 ℃ 이상의 작동온도에서도 효과적으로 작동될 수 있다.
본 발명의 연료전지의 구현 예를 설명하면 다음과 같다.
상기 캐소드는 산소의 환원반응을 촉진시키는 촉매층을 포함한다. 상기 촉매층은 촉매 입자와 양이온교환기를 갖는 폴리머를 포함한다. 상기 촉매로서는, 예를 들면, 백금담지카본촉매 (Pt/C촉매) 가 사용될 수 있다.
상기 애노드는, 수소, 수소함유가스, 메탄올, 에탄올 등과 같은 연료의 산화반응를 촉진시키는 촉매층을 포함한다. 상기 촉매층은 촉매 입자와 양이온교환기를 갖는 폴리머를 포함한다. 상기 촉매의 구체적인 예를 들면, 백금촉매, 백금담지카본촉매, 백금-루테늄촉매, 백금-루테늄담지카본촉매 등이 있다. 특히, 백금-루테늄촉매 또는 백금-루테늄담지카본촉매는 수소 이외의 유기연료를 애노드에 직접 공급하는 경우에 유용하다.
상기 캐소드와 애노드에 사용되는 촉매는 촉매금속 입자 그 자체이거나, 촉매금속 입자와 촉매담체를 포함하는 담지촉매일 수 있다. 상기 촉매담체로서는, 예를 들면, 탄소 분말과 같이, 전도성을 가지며 촉매금속입자를 담지할 수 있는 미세기공 (micropore) 을 갖는 고체입자가 사용될 수 있다. 탄소 분말의 예로서는, 카 본블랙, 케첸블랙, 아세틸렌블랙, 활성탄소분말, 탄소나노섬유분말, 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 양이온교환기를 갖는 폴리머로서는 앞에서 설명한 폴리머가 사용될 수 있다.
상기 캐소드와 애노드의 촉매층은 상기 폴리머전해질막과 접촉하고 있다.
상기 캐소드와 애노드는 촉매층 외에 가스확산층을 더 포함할 수 있다. 가스확산층은 전기전도성을 갖는 다공성 재료를 포함한다. 가스확산층은 집전체의 역할과 반응물과 생성물의 출입통로의 역할을 한다. 가스확산층으로서는, 예를 들면, 카본페이퍼, 더욱 바람직하게는 발수처리된 카본페이퍼, 더더욱 바람직하게는 발수처리된 카본블랙층이 도포된 발수처리된 카본페이퍼일 수 있다. 발수처리된 카본페이퍼는, PTFE (polytetrafluoroethylene) 등과 같은 소수성 고분자를 포함하고 있으며, 상기 소수성 고분자는 소결 (sintering) 되어 있다. 가스확산층의 발수처리는, 액체반응물과 기체반응물에 대한 출입통로를 동시에 확보하기 위한 것이다. 발수처리된 카본블랙층을 갖는 발수처리된 카본페이퍼에 있어서, 발수처리된 카본블랙층은 카본블랙; 및 소수성 바인더로서 PTFE 등과 같은 소수성 고분자를 포함하고 있으며, 앞에서 설명한 바와 같은 발수처리된 카본페이퍼의 일면에 부착되어 있다. 발수처리된 카본블랙층의 상기 소수성 고분자는 소결되어 있다.
상기 캐소드, 애노드 및 전해질막은 기타 다양한 재료, 구조 및 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 캐소드, 애노드 및 전해질막의 제조 및 상기 연료전지 제작은, 각종 문헌에 공지된 다양한 방법으로 수행될 수 있으므로, 여기에서는 더 이상 상세히 설명하지 않는다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지에 있어서, 상기 캐소드, 애노드 및 전해질막 중의 적어도 하나가 앞에서 설명한 본 발명의 무가습 폴리머전해질을 함유하고 있다. 무가습 폴리머전해질을 함유하는 캐소드, 애노드 및 전해질막에 대한 상세한 설명은 앞에서 설명한 본 발명의 연료전지용 전극 및 연료전지용 전해질막과 같다.
이하에서는, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상이 하기의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1 --- MC/나피온117
본 실시예에서는 이온매질로서 MC(modified carbonate)를, 폴리머전해질 매트릭스로서 나피온117 필름을 사용하는 폴리머전해질막을 제조하였다.
MC는 화학식 1의 화합물을 의미하는 관용명칭이다. 본 실시예에서는, n=2 인 화학식 1의 화합물을 사용하였다. 나피온117은 듀퐁사에서 상용제품으로 판매하는, 술포네이트고불화폴리머계열의 폴리머전해질 필름이다.
먼저, 나피온117을, 30 부피% 과산화수소수 20 ㎖와 증류수 200 ㎖의 혼합액에 1 시간 동안 담근 후, 80 ℃에서 1 시간 동안 건조하였다. 이렇게 처리된 나피온117을, 98 중량% 황산수용액 5.42 ㎖와 증류수 200 ㎖의 혼합액에 1 시간 동안 담근 후, 80 ℃에서 1 시간 동안 건조하였다. 이렇게 처리된 나피온117을 증류수로 세척한 후, 80 ℃에서 1 시간 동안 건조하였다. 이러한 과정을 거쳐서 나피온117을 세정하였다.
세정된 나피온117을, 105 ℃의 진공 오븐에서 1 시간 동안 건조한 후, 80 ℃의 MC에 1 시간 동안 담그므로써, MC 함량이 40 중량%인 폴리머전해질막을 제조하였다.
실시예 2 --- PC/나피온117
이온매질로서 PC(propylene carbonate)를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리머전해질막을 제조하였다. 이때, PC 함량은 43 중량% 이었다.
실시예 3 --- GBL/나피온117
이온매질로서 GBL(γ-butyrolactone)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리머전해질막을 제조하였다. 이때, GBL 함량은 49 중량% 이었다.
비교예 1 --- 물/나피온117
이온매질로서 물(water)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리머전해질막을 제조하였다. 이때, 물 함량은 24 중량% 이었다.
<성능평가>
성능평가 1 --- 온도에 따른 이온전도도
실시예 1~3 및 비교예 1에서 얻은 폴리머전해질막에 대하여, 온도변화에 따른 이온전도도를 측정하여 비교하였다.
이온전도도의 측정은, "Hz-3000 Automatic Polarization System"과, "NF Electronic Instruments 5080 (Frequency Response Analyzer)"을 사용하여, 25 ℃, 70 ℃, 90 ℃, 120 ℃의 온도에서 수행되었다. 그 결과를 표 2에 요약하였다.
폴리머전해질막 시료명 조성 이온전도도 (S/cm)
25 ℃ 70 ℃ 90 ℃ 120 ℃
실시예 1 MC/Nafion117 0.0420 0.0190 0.0123 0.0170
실시예 2 PC/Nafion117 0.0020 0.0049 0.0064 0.0082
실시예 3 GBL/Nafion117 0.0023 0.0030 0.0033 0.0073
비교예 1 물/Nafion117 0.0420 0.0190 0.0123 0.0072
표 2에 나타난 바와 같이, 90 ℃ 이하의 온도에서는, 실시예 1~3의 이온전도도가 비교예 1의 이온전도도 보다 낮다. 그러나, 실시예 1~3의 전해질막은, 어느 정도 수준의 이온전도도를 발휘하고 있으며, 그에 따라 이온교환막 또는 이온전도막으로서의 기능을 발휘할 수 있다.
120 ℃에서는, 실시예 1~3의 이온전도도가 비교예 1의 이온전도도 보다 대등하거나 높다. 특히, 실시예 1의 전해질막은 비교예 1의 전해질막 보다 월등히 우수한 이온전도도를 보이고 있다.
이와 같은 결과로부터, 본 발명의 무가습 폴리머전해질막에 대하여, 이온교환막 또는 이온전도막으로서의 기능을 기대할 수 있으며, 특히, 100 ℃ 이상의 고온조건에서는 종래의 수분함습 폴리머전해질막과 대등하거나 그 보다 월등한 성능을 기대할 수 있음을 알 수 있다.
성능평가 2 --- 120 ℃에서의 시간에 따른 이온전도도 변화
실시예 1~3 및 비교예 1에서 얻은 폴리머전해질막에 대하여, 120 ℃에서의 이온전도도를 시간경과에 따라 측정하였다. 그 결과를 표 3에 요약하였다.
폴리머전해질막 시료명 조성 120 ℃ 이온전도도 (S/cm)
1 시간 2 시간 3 시간 5 시간 8 시간
실시예 1 MC/Nafion117 0.0170 0.0150 0.0140 0.0140 0.0100
실시예 2 PC/Nafion117 0.0082 0.0053 0.0043 0.0025 0.0020
실시예 3 GBL/Nafion117 0.0073 0.0084 0.0088 0.0073 0.0025
비교예 1 물/Nafion117 0.0072 0.0042 0.0031 0.0019 0.0014
표 3에 나타난 바와 같이, 비교예 1의 전해질막의 이온전도도는 시간경과에 따라 급격히 감소하고 있다. 이는, 이온매질로서 작용하는 물이 폴리머전해질 매트릭스로부터 증발에 의하여 제거되기 때문이다.
실시예 2, 3의 이온전도도는, 시간경과에 따라 감소하기는 하지만, 비교예 1 보다 감소 속도가 느리며, 그 값 또한 비교예 1의 이온전도도 보다 월등히 높게 유지되고 있다. 실시예 1의 이온전도도는, 시간경과에 따라 거의 감소하지 않으며, 그 값 또한 비교예 1의 이온전도도 보다 월등히 높게 유지되고 있다.
이는, 실시예 1~3의 폴리머전해질막에 있어서, 이온매질로 작용하는 유기화합물이 120 ℃에서도 증발에 의하여 제거되지 않고, 폴리머전해질 매트릭스 내에 효과적으로 잔류하고 있기 때문이다.
이와 같은 사실로부터, 본 발명의 무가습 폴리머전해질막이 고온조건에서의 이온교환막 또는 이온전도막으로서 효과적으로 기능할 것이라는 것을 알 수 있다.
본 발명의 무가습 폴리머전해질은, 100 ℃ 이상의 온도에서도 잘 증발되지 않으며 유전상수가 높은 유기화합물을 이온매질로서 사용하고 있기 때문에, 100 ℃ 미만의 저온에서, 뿐만아니라, 100 ℃ 이상의 고온에서도, 이온교환체 또는 이온전도체의 기능을 발휘할 수 있다. 특히, 본 발명의 무가습 폴리머전해질은, 100 ℃ 이상의 온도에서 운전되는 PEMFC의 효과적인 작동 및 수명을 향상시킬 수 있다.
더욱이, 본 발명의 무가습 폴리머전해질은, 불소계 폴리머 뿐만아니라 탄화수소계 폴리머도 해리기를 갖는 매트릭스로서 채용할 수 있으므로, 무가습 폴리머전해질에 대한 재료선택의 폭을 확장시킬 수 있고, 또한, 무가습 폴리머전해질의 저렴화에 기여할 수 있다.
본 발명의 연료전지는, 앞에서 설명한 무가습 폴리머전해질을 채용하므로써, 향상된 고온 작동시의 효율 및 수명 특성을 가질 수 있으며, 가습 시스템을 배제함에 따른 발전 시스템의 단순화를 이룩할 수 있다.

Claims (12)

100 ℃ 이상의 끓는점과 3 이상의 유전상수를 갖는 유기화합물로 구성되어 있는 이온매질; 및
이온전도성 폴리머로 구성되어 있는 매트릭스를 포함하며,
상기 이온매질이 상기 매트릭스 내에 함침되어 있는,
폴리머전해질.
제 1 항에 있어서, 상기 유기화합물이 고리형 카보네이트 기, 고리형 카르복시산 에스테르 기, 에테르 결합 및 시안 기 중에서 선택되는 적어도 하나를 갖는 화합물, 또는 그러한 화합물들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 폴리머전해질.
제 1 항에 있어서, 상기 유기화합물이 4 -[CH3(OC2H4) nCH2-]-1,3-디옥솔란-2-원 (n=2~5), 프로필렌 카보네이트, γ-부티로락톤, 트리글라임, 아크릴로니트릴 올리고머, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 폴리머전해질.
제 1 항에 있어서, 상기 이온매질의 함량이, 상기 폴리머전해질의 전체 중량을 기준으로 하여, 10 내지 40 중량% 인 것을 특징으로 하는 폴리머전해질.
제 1 항에 있어서, 상기 이온전도성 폴리머가, 술폰산 기, 카르복시산 기, 인산 기, 이미드 기, 술폰이미드 기, 술폰아미드 기 및 히드록시 기 중에서 선택되는 하나 이상의 양이온교환기를 갖는 것을 특징으로 하는 폴리머전해질.
제 1 항에 있어서, 상기 이온전도성 폴리머가, 양이온교환기를 갖는 폴리머로서, 트리플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌, 스티렌-디비닐 벤젠, α,β,β-트리플루오로스티렌, 스티렌, 이미드, 술폰, 포스파젠, 에테르에테르 케톤, 에틸렌옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드 또는 방향족 기의 호모폴리머 및 코폴리머 및 이들 의 유도체 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폴리머전해질.
제 1 항에 있어서, 상기 이온전도성 폴리머가, 측쇄의 말단에 양이온교환기로서 술폰산기를 가지며, 그 주쇄 및 측쇄의 탄소원자에 결합되어 있는 불소원자의 갯수와 수소원자의 갯수의 총합 중에서 불소원자의 갯수가 90% 이상인, 술포네이트고불화폴리머인 것을 특징으로 하는 폴리머전해질.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 폴리머전해질을 함유하는 폴리머전해질막.
제 8 항에 있어서, 상기 폴리머전해질막의 두께가 30 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 폴리머전해질막.
촉매; 및 이오노머를 함유하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극으로서,
상기 이오노머가 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 폴리머 전해질인 연료전지용 전극.
제 10 항에 있어서, 가스확산층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
캐소드, 애노드, 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료전지에 있어서,
상기 캐소드, 애노드 및 전해질막 중의 적어도 하나가 제 1 항 내지 제 8 항에 따른 폴리머전해질을 함유하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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