KR20070003469A - Method for surface treatment of electrolyte membrane, surface-treated electrolyte membrane and polymer electrolyte membrane fuel cell including the electrolyte membrane - Google Patents

Method for surface treatment of electrolyte membrane, surface-treated electrolyte membrane and polymer electrolyte membrane fuel cell including the electrolyte membrane Download PDF

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Abstract

Provided are a method for treating the surface of an electrolyte membrane to control the roughness of an electrolyte membrane precisely without the change of other physical properties an electrolyte membrane whose surface treated by the method, and a polymer an electrolyte membrane fuel cell containing the surface-treated electrolyte membrane. The method comprises the step of irradiating an ion beam on the surface of an electrolyte membrane to treat the surface of an electrolyte membrane. Preferably the ion beam has an amount per unit area of 1Î10^15 to 5Î10^16 ions/cm^2 at an ion beam energy of 1keV. Preferably the ion beam is an Ar^+ beam; and an electrolyte membrane is a Nafion membrane.

Description

전해질막의 표면 처리 방법, 표면 처리된 전해질막 및 이를 포함하는 고분자전해질막 연료전지{Method for surface treatment of electrolyte membrane, surface-treated electrolyte membrane and polymer electrolyte membrane fuel cell including the electrolyte membrane}Method for surface treatment of electrolyte membrane, surface-treated electrolyte membrane and polymer electrolyte membrane fuel cell including the electrolyte membrane}

도 1a는 본 발명의 비교예의 막의 표면 형상을 나타내는 SEM 사진이다.1A is an SEM photograph showing the surface shape of the film of the comparative example of the present invention.

도 1b는 본 발명의 실시예1의 막의 표면 형상을 나타내는 SEM 사진이다.1B is a SEM photograph showing the surface shape of the film of Example 1 of the present invention.

도 1c는 본 발명의 실시예2의 막의 표면 형상을 나타내는 SEM 사진이다.1C is a SEM photograph showing the surface shape of the film of Example 2 of the present invention.

도 1d는 본 발명의 실시예3의 막의 표면 형상을 나타내는 SEM 사진이다.1D is a SEM photograph showing the surface shape of the film of Example 3 of the present invention.

도 1e는 본 발명의 실시예4의 막의 표면 형상을 나타내는 SEM 사진이다.1E is an SEM photograph showing the surface shape of the film of Example 4 of the present invention.

도 2는 본 발명의 비교예 및 실시예들의 막의 FTIR-ART 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the FTIR-ART spectrum of a film of Comparative Examples and Examples of the present invention.

도 3a는 본 발명의 비교예 및 실시예들의 막을 사용한 단위 전지의 성능을 나타내는 i-V 특성 커브이다.3A is an i-V characteristic curve showing the performance of a unit cell using the film of Comparative Examples and Examples of the present invention.

도 3b는 본 발명의 비교예 및 실시예들의 막을 사용한 단위 전지의 분극 저항을 보여주는 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)이다.3B is a Nyquist plot showing the polarization resistance of unit cells using the membranes of Comparative Examples and Examples of the present invention.

도 3c는 본 발명의 비교예 및 실시예들의 막을 사용한 단위 전지의 CV 그래프이다. 3C is a CV graph of a unit cell using the membrane of the comparative examples and examples of the present invention.

도 4는 본 발명의 비교예 및 실시예들의 막을 사용한 단위 전지에 있어서 이온 양의 변화에 따른 800mA/cm2에서의 셀 전압, 0.8V에서의 전하전달저항 및 촉매 이용율을 각각 나타내는 그래프이다. 4 is a graph showing a cell voltage at 800 mA / cm 2 , a charge transfer resistance at 0.8 V, and a catalyst utilization rate according to a change in the amount of ions in the unit cell using the membranes of the comparative examples and examples of the present invention.

도 5a는 본 발명의 비교예의 막을 사용한 단위 전지의 촉매 로딩양의 변화에 따른 분극 커브이다.5A is a polarization curve according to the change of the catalyst loading amount of a unit cell using the membrane of the comparative example of the present invention.

도 5b는 본 발명의 실시예3의 막을 사용한 단위 전지의 촉매 로딩양의 변화에 따른 분극 커브이다.5B is a polarization curve according to the change of the catalyst loading amount of a unit cell using the membrane of Example 3 of the present invention.

도 5c는 본 발명의 실시예3및 비교예의 각각에서 촉매 로딩양의 변화에 따른 800mA/cm2에서의 셀 전압을 나타내는 그래프이다. 5C is a graph showing the cell voltage at 800 mA / cm 2 according to the change of the catalyst loading in each of Example 3 and Comparative Example of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예3 및 비교예의 막을 사용한 단위 전지의 촉매 로딩양의 변화에 따른 전하전달저항을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing the charge transfer resistance according to the change of the catalyst loading amount of the unit cell using the membrane of Example 3 and Comparative Example of the present invention.

1. Sally-Ann Sheppard, Sheelagh A. Campbell, James R. Smith, Grongar W. Lloyd, Thomas R. Ralph, Frank C. Walsh, Analyst, 123 (1998) 1923~1929.Sally-Ann Sheppard, Sheelagh A. Campbell, James R. Smith, Grongar W. Lloyd, Thomas R. Ralph, Frank C. Walsh, Analyst, 123 (1998) 1923-1929.

2. Lawrance; Richard J., Wood; Linda D., 미국 특허 제4,272,353호.2. Lawrance; Richard J., Wood; Linda D., US Pat. No. 4,272,353.

3. Kawagoe, Y.; Namie, S.; Nomura, M.; Kumakura, T.; Shiozaki, K.; Nakajima, D. Y. in: U. Stimming, S. C. Singhal, H. Tagawa, and W. Lehnert, (Eds.), Proceedings from the Solid Oxide Fuel Cells V, PV97-40, The Electrochemical Society, 1997, pp. 549-556. 3. Kawagoe, Y .; Namie, S .; Nomura, M .; Kumakura, T .; Shiozaki, K .; Nakajima, D. Y. in: U. Stimming, S. C. Singhal, H. Tagawa, and W. Lehnert, (Eds.), Proceedings from the Solid Oxide Fuel Cells V, PV97-40, The Electrochemical Society, 1997, pp. 549-556.

본 발명은 전해질막의 표면 처리 방법, 표면 처리된 전해질막 및 이를 포함하는 고분자전해질막 연료전지에 관한 것으로, 상세하게는 이온 충돌을 통해 표면 처리를 수행함으로써 셀 성능을 향상시키는 전해질막의 표면 처리 방법, 표면 처리된 전해질막 및 이를 포함하는 고분자전해질막 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a surface treatment method of an electrolyte membrane, a surface treated electrolyte membrane and a polymer electrolyte membrane fuel cell including the same. Specifically, a surface treatment method of an electrolyte membrane for improving cell performance by performing a surface treatment through ion collision, The present invention relates to a surface-treated electrolyte membrane and a polymer electrolyte membrane fuel cell including the same.

고분자전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 이동형 또는 고정형 전원으로 사용 가능한 깨끗하고 효율적인 에너지 전환 장치이다.Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a clean and efficient energy conversion device that can be used as a mobile or stationary power source.

상기 PEMFC의 구성요소 중 전해질막과 전극 촉매 사이의 계면에서는 반응 가스와의 접촉으로 전기화학적 반응이 일어난다. 따라서, 전해질과 전극 촉매 사이의 계면은 셀 성능 향상에 중요한 역할을 한다. At the interface between the electrolyte membrane and the electrode catalyst among the components of the PEMFC, an electrochemical reaction occurs by contact with a reaction gas. Thus, the interface between the electrolyte and the electrode catalyst plays an important role in improving cell performance.

전기화학적 반응을 향상시키기 위하여는 전해질과 촉매 입자와의 접촉을 증가시켜야 하는데, 이를 위하여 막의 표면을 처리하는 방법 및 촉매층에서의 전해질 양을 증가시키는 방법이 고려될 수 있다. In order to improve the electrochemical reaction, the contact between the electrolyte and the catalyst particles should be increased. For this, a method of treating the surface of the membrane and a method of increasing the amount of electrolyte in the catalyst layer may be considered.

그러나, 촉매층에서 전해질 양을 증가시키는 방법은 제한적이므로 막의 표면을 처리하는 방법이 고려되어야 한다.However, the method of increasing the amount of electrolyte in the catalyst layer is limited and a method of treating the surface of the membrane should be considered.

종래에 막의 표면을 처리하는 방법들이 알려져 있다. 예를 들어, SiC 페이퍼에 의하여 거칠게 된 전해질막의 표면에 백금(Pt) 촉매를 코팅함으로써 나피온 막 상에 전해질과 접촉하는 촉매의 수를 증가시켜 셀 성능을 향상시키는 방법이 알려져 있다(종래 기술 문헌 1 참조). 그리고, SiC 페이퍼에 의하여 거칠게된 전해질은 물의 전기분해에 적용되는 경우 높은 성능을 나타내는 것이 알려져 있다(종래 기술 문헌 2 참조).Methods are known in the art for treating the surface of a film. For example, a method of improving the cell performance by increasing the number of catalysts in contact with an electrolyte on a Nafion membrane by coating a platinum (Pt) catalyst on the surface of an electrolyte membrane roughened by SiC paper is known (prior art document). 1). And it is known that the electrolyte roughened by SiC paper shows high performance when it is applied to the electrolysis of water (refer prior art document 2).

또한, 막의 표면을 거칠게 하는 것에 의하여 YSZ 전해질막과 전극 사이의 접촉 면적이 증가한다는 것이 알려져 있다(종래 기술 문헌 3 참조).Moreover, it is known that the contact area between an YSZ electrolyte membrane and an electrode increases by roughening the surface of a membrane (refer prior art document 3).

그러나, 종래의 표면 처리 방법들에서는 물리적인 마찰 등을 이용하므로 전해질의 표면 형상을 정교하게 제어하기가 어렵고 따라서 재현성이 떨어지며 전해질막이 적용되는 셀의 성능 향상도 일관적이지 않다는 문제점이 있다. However, in the conventional surface treatment methods, it is difficult to precisely control the surface shape of the electrolyte due to the use of physical friction and the like, and thus, the reproducibility is poor and the performance improvement of the cell to which the electrolyte membrane is applied is not consistent.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 이온 전도도, 비친수 특성 및 표면의 화학적 특성 등 전해질막의 다른 성능의 변화없이 전해질막의 표면 거칠기를 정교하게 조절하고 이에 따라 상기 전해질막이 사용되는 연료전지의 성능 향상을 달성할 수 있는 전해질막의 표면 처리 방법 내지 그 방법에 따라 표면 처리된 전해질막과 이를 구비하는 연료전지를 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the object of the present invention is to precisely control the surface roughness of the electrolyte membrane without changing the performance of the electrolyte membrane, such as ionic conductivity, non-hydrophilic characteristics and chemical properties of the surface Accordingly, to provide an electrolyte membrane surface-treated according to the electrolyte membrane surface treatment method to achieve an improved performance of the fuel cell in which the electrolyte membrane is used, and a fuel cell having the same.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 전해질막의 표면 처리 방법에 있어서, 전해질막의 표면에 이온 빔을 조사하여 전해질막의 표면을 처리하는 것을 특징으로 하는 전해질막의 표면 처리 방법에 의하여 달성된다.The object of the present invention as described above is achieved by the surface treatment method of the electrolyte membrane, in which the surface of the electrolyte membrane is treated by irradiating an ion beam to the surface of the electrolyte membrane.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 전해질막에 있어서, 표면이 이온 빔으로 조사 처리된 것을 특징으로 하는 표면 처리된 전해질막에 의하여 달성된다.The object of the present invention as described above is achieved by a surface-treated electrolyte membrane, wherein the surface of the electrolyte membrane is irradiated with an ion beam.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 고분자전해질막 연료전지에 있어서, 상기 전해질막을 구비하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질막 연료전지에 의하여 달성된다. The object of the present invention as described above is achieved by a polymer electrolyte membrane fuel cell, comprising the electrolyte membrane in a polymer electrolyte membrane fuel cell.

이하, 본 발명에 따른 전해질막의 표면 처리 방법, 표면 처리된 전해질막 및 이를 포함하는 고분자전해질막 연료전지를 상술한다.Hereinafter, the surface treatment method of the electrolyte membrane, the surface-treated electrolyte membrane and the polymer electrolyte membrane fuel cell including the same according to the present invention will be described in detail.

본 발명에서는 3상 계면이 형성되는 전해질막 표면의 유효 표면적을 증가시키기 위하여 표면 거칠기를 조절하되 종래와 달리 이온 전도도, 비친수 특성 및 기타 표면의 화학적 특성의 변화없이 보다 정교하고 높은 재현성을 가지도록 표면 처리를 수행한다. 이를 위하여 본 발명에서는 이온 빔 조사를 통하여 전해질막 표면에 이온을 충돌시키도록 하며, 특히 셀 성능을 향상하기 위하여 이온 빔 조사시 이온 빔 에너지를 일정하게 한 상태에서 단위 면적당 조사되는 이온의 양[즉, 이온 양 밀도(ion dose density); 이하 "이온 양 밀도"라고 한다]을 조절하도록 한다.In the present invention, the surface roughness is controlled to increase the effective surface area of the surface of the electrolyte membrane in which the three-phase interface is formed, but unlike the conventional method, the surface roughness is more precise and highly reproducible without changing the ionic conductivity, non-hydrophilicity, and chemical properties of other surfaces. Perform surface treatment. To this end, in the present invention, the ion beam irradiation impinges ions on the surface of the electrolyte membrane, and in particular, in order to improve cell performance, the amount of ions irradiated per unit area under constant ion beam energy during ion beam irradiation [i.e. Ion dose density; Hereafter referred to as "ion amount density".

구체적으로, 본 발명에서는 나피온 전해질막의 표면에 Ar+ 이온의 이온 양 밀도를 변화시켜가면서 이온 빔을 조사하고, 또한, 촉매 로딩양을 변화시키도록 하여 셀 성능을 측정하였다. 그 결과, 상기 이온 빔 조사시 이온 빔 에너지를 1keV로 일정하게 할 때 이온 양 밀도를 5×1016 이온/cm2 으로 하는 경우 셀 성능이 가장 우수한 것을 알 수 있었다. 한편, 촉매 로딩양 변화에 따른 실험 결과, 본 발명의 표 면 처리 방법을 사용하면 로딩되는 촉매양을 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다.Specifically, in the present invention, the cell performance was measured by irradiating an ion beam while varying the ion amount density of Ar + ions on the surface of the Nafion electrolyte membrane and changing the catalyst loading amount. As a result, it was found that the cell performance was the best when the ion amount density was 5 × 10 16 ions / cm 2 when the ion beam energy was constant at 1 keV during the ion beam irradiation. On the other hand, as a result of the experiment according to the change in the catalyst loading amount, it can be seen that using the surface treatment method of the present invention can reduce the amount of catalyst loaded.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by explaining preferred embodiments of the present invention. However, the present invention is not limited to the following examples, and various forms of embodiments can be implemented within the scope of the appended claims, and the following examples are only common in the art while making the disclosure of the present invention complete. It is intended to facilitate the implementation of the invention to those with knowledge.

실시예들Examples  And 비교예Comparative example 막 제조 Membrane manufacturing

사전 세척 및 건조된 나피온 112 막(Due Pont, Inc.)을 이용하여 이온 빔으로 표면 처리하지 않은 시편(비교예)과 이온 빔으로 표면 처리한 시편(실시예)을 제작하였다. Pre-cleaned and dried Nafion 112 membrane (Due Pont, Inc.) was used to prepare specimens (comparative) that were not surface treated with an ion beam and specimens that were surface treated with an ion beam (example).

상기 이온 빔으로서는 아르곤 이온(Ar+) 빔을 사용하였다. 아르곤 이온 빔은 차고 속이 빈 캐소드 타입 이온 소스로부터 생성되었으며, 이온 빔 에너지는 1.0keV로 조절하였다. 노출 시간과 이온 빔의 전류 밀도를 조절하여 이온 양 밀도를 1×1015 내지 1017 이온/cm2으로 변화시켰다. An argon ion (Ar + ) beam was used as the ion beam. Argon ion beams were generated from cold hollow cathode type ion sources and the ion beam energy was adjusted to 1.0 keV. The ion amount density was varied from 1 × 10 15 to 10 17 ions / cm 2 by adjusting the exposure time and the current density of the ion beam.

실시예1의 시편은 이온 양 밀도를 1×1015 이온/cm2로 한 것이고, 실시예2의 시편은 이온 양 밀도를 1×1016 이온/cm2으로 한 것이고, 실시예3의 시편은 이온 양 밀도를 5×1016 이온/cm2으로 한 것이며, 실시예4의 시편은 이온 양 밀도를 1×1017 이온/cm2로 한 것이다.The specimen of Example 1 had an ion quantity density of 1 × 10 15 ions / cm 2 , the specimen of Example 2 had an ion quantity density of 1 × 10 16 ions / cm 2 , and the specimen of Example 3 The ion amount density is 5 × 10 16 ions / cm 2 , and the specimen of Example 4 is ion amount density 1 × 10 17 ions / cm 2 .

상기 비교예 및 실시예들의 모든 시편들은 일반적인 초음파 세척법으로 세척하였다. 진공 압력은 0.133~5.3×10-1 kPa로 유지하였다.All specimens of the Comparative Examples and Examples were washed by a general ultrasonic cleaning method. Vacuum pressure was maintained at 0.133 ~ 5.3 × 10 -1 kPa.

MEA 및 단위 전지 제조MEA and unit cell manufacturing

40wt% Pt/C(Johnson Matthey, Inc.)를 이소프로필 알콜(베이커 분석된 HPLC 시약)과 혼합하여 촉매 잉크를 제조한 후, 이를 1시간 동안 초음파 처리하였다. 5wt% 나피온 용액(Due Pont, Inc.)을 상기 촉매 잉크에 첨가하고 다시 1시간 동안 초음파 처리하였다.40 wt% Pt / C (Johnson Matthey, Inc.) was mixed with isopropyl alcohol (Baker analyzed HPLC reagent) to prepare a catalyst ink, which was then sonicated for 1 hour. 5 wt% Nafion solution (Due Pont, Inc.) was added to the catalyst ink and sonicated for another hour.

상기 제조된 비교예 및 실시예들의 막에 촉매 잉크를 분사하는 CCM(Catalyst Coated Membrane) 방법에 의하여 상기 비교예 및 실시예들 각각에 따른 MEA를 제조하고 건조하였다. 제조된 MEA에서 활성 전극 면적은 25cm2이었고 촉매 로딩양은 애노드 및 캐스드에 대하여 0.3 mg-Pt/cm2 및 0.2mg-Pt/cm2이었다. The MEA according to each of the Comparative Examples and Examples was prepared and dried by a CCM (Catalyst Coated Membrane) method in which the catalyst ink was sprayed onto the films of the Comparative Examples and Examples. Active electrode surface area in the manufactured MEA is 25cm 2 was was 0.3 mg-Pt / cm 2 and 0.2mg-Pt / cm 2 with respect to the amount of anode catalyst loading and cas de.

상기 제조된 MEA와 가스 확산 매체(Sigrcet, SGL Carbon Inc.), 가스켓 및 그라파이트 블록(graphite block)을 결합하여 단위 전지를 제작하였다. 수소 및 산소 또는 공기는 각각 80℃ 및 65℃에서 버블 가습기를 통과한 후(전지 온도 80℃) 애노드와 캐소드에 주입되었다.The unit cell was manufactured by combining the prepared MEA with a gas diffusion medium (Sigrcet, SGL Carbon Inc.), a gasket, and a graphite block. Hydrogen and oxygen or air were injected into the anode and cathode after passing through a bubble humidifier at 80 ° C. and 65 ° C. (cell temperature 80 ° C.).

막 특성 평가 - Membrane Characterization- 접촉각Contact angle , 이온 전도도, Ionic conductivity, FTIRFTIR -- ATRATR 스펙트럼 및 표면 형상 평가 Spectral and Surface Shape Evaluation

접촉각(contact angle) 마이크로미터(Cam Micro, Tantec)를 사용하여 상온에서 고착 물방울법(sessile drop method)으로 막의 수분 접촉각을 측정하였다. 각 실시예들 및 비교예의 막에 있어서 서로 다른 10개의 위치에서 접촉각을 측정하였다. Moisture contact angle of the membrane was measured by the sessile drop method at room temperature using a contact angle micrometer (Cam Micro, Tantec). Contact angles were measured at ten different positions in the membranes of the Examples and Comparative Examples.

비교예 및 실시예들의 이온 전도도를 실온에서 IM6(ZAHNER)를 사용하여 4포인트 탐침법(4-point probe method)으로 측정하였다. 측정에 앞서 폐쇄된 용기내에서 최소 3일 동안 막을 증류수로 처리하였다. Ion conductivities of the Comparative Examples and Examples were measured by 4-point probe method using IM6 (ZAHNER) at room temperature. The membrane was treated with distilled water for at least 3 days in a closed vessel prior to measurement.

ATR 모드에서 비교예 및 실시예들의 막에 FTIR(Nicolet Magna IR 560 model)을 수행하였다. 나아가, 막의 표면 형상(surface morphology)과 물리적 특성을 측정하기 위하여 SEM(Hitachi S-4200) 및 AFM(Park Scientific Instrument)을 사용하였다.FTIR (Nicolet Magna IR 560 model) was performed on the films of Comparative Examples and Examples in ATR mode. In addition, SEM (Hitachi S-4200) and AFM (Park Scientific Instruments) were used to measure the surface morphology and physical properties of the film.

실시예들 및 비교예의 막으로 제작된 단위 전지의 전기화학적 특성 평가 - 셀 성능, Evaluation of electrochemical properties of unit cells fabricated with the membranes of Examples and Comparative Examples-cell performance, 분극Polarization 저항 및 촉매  Resistance and catalyst 이용율Utilization rate 평가 evaluation

일렉트로닉 로더(Daegil Electronics Inc, EL 1000P)를 사용하여 i-V 특성을 측정하여 단위 전지 성능을 평가하였다. The unit cell performance was evaluated by measuring i-V characteristics using an electronic loader (Daegil Electronics Inc, EL 1000P).

기준 전극 및 상대 전극으로서 수소 전극을 사용하고 작동 전극으로서 산소 전극을 사용하여 단위 전지의 AC 임피던스를 측정함으로써 분극 저항(Rp)을 평가하 였다. 임피던스 측정을 위하여 IM6(ZAHNER)를 사용하였고 적용 주파수는 5mV (피크 대 피크)의 여기 전압(excitation voltage)으로 10 mHz 내지 10 kHz로 변화시켰다.The polarization resistance (R p ) was evaluated by measuring the AC impedance of the unit cell using a hydrogen electrode as a reference electrode and a counter electrode and an oxygen electrode as a working electrode. IM6 (ZAHNER) was used for impedance measurement and the application frequency was varied from 10 mHz to 10 kHz with an excitation voltage of 5 mV (peak to peak).

전극의 백금 촉매 이용율(Pt utilization) 정도는 50 mV/s의 스캔 속도와 80℃의 전지 온도에서 측정되는 사이클릭 볼타모그램(Cyclic Voltammograms; CV)으로 평가하였다. CV 측정 동안 가습된 질소가 작동 전극으로 주입되었고 가습된 수소는 상대 전극으로 주입되었다. Platinum catalyst utilization (Pt utilization) of the electrode was evaluated by Cyclic Voltammograms (CV) measured at a scan rate of 50 mV / s and a cell temperature of 80 ℃. Humidified nitrogen was injected into the working electrode and humidified hydrogen was injected into the counter electrode during the CV measurement.

수소 산화 또는 발생 반응의 경우 상대 전극에서의 과전압은 미미하므로 상기 AC 임피던스 및 CV의 측정에 있어서 상대 전극을 기준 전극으로 사용하였다. In the case of hydrogen oxidation or generation reaction, since the overvoltage at the counter electrode is insignificant, the counter electrode was used as the reference electrode in the measurement of the AC impedance and CV.

SEMSEM 측정 결과 Measurement result

도 1은 본 발명의 실시예들 및 비교예의 막의 표면 형상을 각각 나타내는 SEM 사진으로, 도 1a는 본 발명의 비교예의 막의 표면 형상을 나타내는 SEM 사진이고, 도 1b는 본 발명의 실시예1의 막의 표면 형상을 나타내는 SEM 사진이고, 도 1c는 본 발명의 실시예2의 막의 표면 형상을 나타내는 SEM 사진이고, 도 1d는 본 발명의 실시예3의 막의 표면 형상을 나타내는 SEM 사진이며, 도 1e는 본 발명의 실시예4의 막의 표면 형상을 나타내는 SEM 사진이다.Figure 1 is a SEM photograph showing the surface shape of the film of the Examples and Comparative Examples of the present invention, Figure 1a is a SEM photograph showing the surface shape of the film of the Comparative Example of the present invention, Figure 1b is a film of Example 1 of the present invention 1C is a SEM photograph showing the surface shape of the film of Example 2 of the present invention, FIG. 1D is a SEM photograph showing the surface shape of the film of Example 3 of the present invention, and FIG. It is a SEM photograph showing the surface shape of the film of Example 4 of the invention.

도 1a로부터 확인할 수 있듯이, 비교예의 막의 표면은 크랙이 적고 매끄러운 것을 알 수 있었다. As can be seen from FIG. 1A, it was found that the surface of the film of the comparative example was less cracked and smooth.

한편, 도 1b 및 1c로부터 확인할 수 있듯이, 이온 빔에 의하여 표면 처리를 수행한 실시예1 및 2의 막의 경우 노듈(nodule) 구조를 보여주었으며 이러한 노듈 구조는 실시예2의 막의 경우에 더 강화되었다. On the other hand, as can be seen from Figures 1b and 1c, the nodule structure was shown for the membranes of Examples 1 and 2 subjected to surface treatment by ion beams, and this nodule structure was further strengthened in the case of the membrane of Example 2 .

도 1d 및 1e로부터 확인할 수 있듯이, 이온 양 밀도를 실시예2의 경우보다 더 증가시킨 실시예3의 막의 경우 나피온 막의 표면이 분산되어 휘스커(whisker) 구조를 보여주었고, 실시예4의 막에서는 상기 휘스커 길이가 더 증가하였다.As can be seen from FIGS. 1D and 1E, in the case of the membrane of Example 3, in which the ion amount density was increased more than that of Example 2, the surface of the Nafion membrane was dispersed to show a whisker structure. The whisker length increased further.

AFMAFM 측정 결과 Measurement result

표 1은 본 발명의 실시예들 및 비교예의 막의 물리적 특성을 정리하여 나타내는 것이다.Table 1 summarizes the physical properties of the films of the Examples and Comparative Examples of the present invention.

이온 양 (이온/cm2)Ion amount (ion / cm 2 ) 피크에서 밸리까지의 높이*(nm)Height from peak to valley * (nm) 평균 높이* (nm)Average height * (nm) RMS 거칠기* (nm)RMS roughness * (nm) 이온 전도도 (S/cm)Ionic Conductivity (S / cm) 접촉각 (°)Contact angle (°) 비교예의 막Membrane of comparative example 247247 7474 2121 0.1190.119 108108 실시예1의 막Membrane of Example 1 409409 146146 3131 0.1130.113 111111 실시예2의 막Membrane of Example 2 836836 473473 8787 0.1110.111 121121 실시예3의 막Membrane of Example 3 -- -- -- 0.1190.119 111111 실시예4의 막Membrane of Example 4 17901790 11301130 204204 0.1270.127 123123

* AFM으로 측정됨* Measured with AFM

표 1로부터 알 수 있듯이, AFM 분석 결과 실시예들의 막에 있어서 실시예1로부터 실시예4로 갈수록(즉, 이온 양 밀도가 증가할 수록) 피크에서 밸리까지의 높이도 409nm에서 1790nm로 크게 증가하였다. 이와 같은 경향은 이온 양 밀도의 증가에 따라서 표면의 거칠기가 증가하는 것을 의미하는 것이다. 그리고, 비교예의 막과 비교할 때 실시예들의 막의 RMS 거칠기는 10nm 이상 증가하였으며, 실시예들의 막에 있어서 이온 양 밀도가 증가할 수록 RMS 거칠기도 더욱 증가하였다.As can be seen from Table 1, as a result of the AFM analysis, the height from peak to valley also increased greatly from 409 nm to 1790 nm from Example 1 to Example 4 (ie, as the ion amount density was increased) in the films of Examples. . This tendency means that the surface roughness increases with the increase of the ion amount density. And, compared with the film of the comparative example, the RMS roughness of the films of the embodiments increased by 10 nm or more, the RMS roughness was further increased as the ion amount density increased in the films of the examples.

한편, AFM 분석과는 별도로 이온 전도도 및 접촉각 분석을 수행한 결과 비교예 및 실시예들의 막에서 상호 큰 차이를 보이지 않는 것을 확인할 수 있었다.On the other hand, as a result of performing ion conductivity and contact angle analysis separately from the AFM analysis, it was confirmed that there is no significant difference in the film of the comparative examples and examples.

FTIRFTIR -- ATRATR 측정 결과 Measurement result

접촉각 및 이온 전도도에서 거의 차이를 보이지 않았던 비교예 및 실시예들의 화학적 구조를 조사하기 위하여, 비교예 및 실시예들의 막에 대하여 FTIR-ATR 측정을 수행하였다.FTIR-ATR measurements were performed on the membranes of the comparative examples and examples to investigate the chemical structures of the comparative examples and examples which showed little difference in contact angle and ion conductivity.

도 2는 본 발명의 비교예 및 실시예들의 막의 FTIR-ART 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 2에서 비교예의 막은 "Untreated"로 표기되어 있고, 실시예1의 막은 "1×1015 Ar+/cm2"으로 표기되어 있고, 실시예2의 막은 "1×1016 Ar+/cm2"으로 표기되어 있고, 실시예3의 막은 "5×1016 Ar+/cm2"으로 표기되어 있으며, 실시예4의 막은 "1×1017 Ar+/cm2"로 표기되어 있다.2 is a graph showing the FTIR-ART spectrum of a film of Comparative Examples and Examples of the present invention. In FIG. 2, the membrane of the comparative example is labeled “Untreated”, the membrane of Example 1 is labeled “1 × 10 15 Ar + / cm 2 ”, and the membrane of Example 2 is “1 × 10 16 Ar + / cm 2 And the membrane of Example 3 is denoted by "5 x 10 16 Ar + / cm 2 ", and the membrane of Example 4 is denoted by "1 x 10 17 Ar + / cm 2 ".

도 2로부터 알 수 있듯이, 975.81 cm-1 에서 측쇄 C-O-C의 대칭 신축 진동 스펙트럼, 1056.8 cm-1 에서 SO3 - 대칭 신축 진동 스펙트럼 및 1300 cm-1 주위에서 강한 CF2 신축 진동에 의하여 마스크된 비대칭 신축 진동 스펙트럼이 관찰되었다. 또한, 1145.51 cm-1 및 1201.44 cm-1 영역에서 나타나는 강한 대역은 고분자의 CF2 대칭 및 비대칭 신축 진동에 대응한다. 그리고, 1600~2000 cm-1 및 3000~3700 cm-1 영역에서의 OH 굽힘 및 신축 진동 대역은 막 내의 수분에 대응한다. As can be seen from 2, SO 3 in a symmetric stretching vibration spectrum, 1056.8 cm -1 of the side chain COC at 975.81 cm -1 - the asymmetric stretching mask by the strong CF 2 stretching vibration around the symmetric stretching frequency spectrum and 1300 cm -1 Vibration spectra were observed. In addition, the strong bands appearing in the 1145.51 cm −1 and 1201.44 cm −1 regions correspond to the CF 2 symmetric and asymmetric stretching vibrations of the polymer. In addition, the OH bending and stretching vibration bands in the regions 1600 to 2000 cm −1 and 3000 to 3700 cm −1 correspond to moisture in the film.

비교예 및 실시예들에서의 상기 강한 대역의 피크 위치는 동일한 것으로 밝혀졌으며, 이는 Ar+ 충돌 동안 또는 그 후에 고분자의 화학적 구조가 변화지 않았음을 의미하는 것이다. The strong band peak positions in Comparative Examples and Examples were found to be identical, meaning that the chemical structure of the polymer did not change during or after the Ar + collision.

이온 양 변화에 따른 셀 성능 향상 결과Cell performance improvement result by change of ion amount

앞서 살펴본 바와 같이, 1keV의 일정한 빔 에너지를 가지는 1015 내지 1017 이온/cm2 범위내의 Ar+ 이온 흐름에 의하여 막의 표면 형상이 변형되었다. 이와 같은 실시예들의 막의 셀 성능을 이온 빔 조사 처리하지 않은 비교예 막의 셀 성능과 대비하였다.As described above, the surface shape of the film was modified by the Ar + ion flow in the range of 10 15 to 10 17 ions / cm 2 having a constant beam energy of 1 keV. The cell performance of the membranes of these examples was compared with that of the comparative membranes without ion beam irradiation.

도 3a는 본 발명의 비교예 및 실시예들의 막의 셀 성능을 각각 나타내는 i-V 특성 커브이고, 도 3b는 본 발명의 비교예 및 실시예들의 막의 분극 저항을 보여주는 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)이며, 도 3c는 본 발명의 비교예 및 실시예들의 막의 CV 그래프이다. 도 3a 내지 3c에 관한 실험에서 캐소드 촉매 로딩양은 0.2mg-Pt/cm2이고, H2/air가 투입되었다. 도 3a 내지 3c에서 비교예의 막은 "Untreated"로 표기되어 있고, 실시예1의 막은 "1×1015 Ar+/cm2"으로 표기되어 있고, 실시예2의 막은 "1×1016 Ar+/cm2"으로 표기되어 있고, 실시예3의 막은 "5×1016 Ar+/cm2"으로 표기되어 있으며, 실시예4의 막은 "1×1017 Ar+/cm2"로 표기되어 있다.Figure 3a is an iV characteristic curve showing the cell performance of the film of the comparative examples and examples of the present invention, Figure 3b is a Nyquist plot showing the polarization resistance of the film of the comparative examples and embodiments of the present invention, 3C is a CV graph of a film of Comparative Examples and Examples of the present invention. In the experiments with respect to FIGS. 3A to 3C, the cathode catalyst loading amount was 0.2 mg-Pt / cm 2 , and H 2 / air was added thereto. 3A to 3C, the membrane of the comparative example is labeled "Untreated", the membrane of Example 1 is labeled "1 x 10 15 Ar + / cm 2 ", and the membrane of Example 2 is "1 x 10 16 Ar + / cm 2 ″, the membrane of Example 3 is labeled “5 × 10 16 Ar + / cm 2 ”, and the membrane of Example 4 is labeled “1 × 10 17 Ar + / cm 2 ”.

도 3a로부터 알 수 있듯이, 본 실시예들의 표면 처리된 막을 구비하는 셀은 비교예의 막을 구비하는 셀 보다 활성화 및 저항 제어 영역에서 더 높은 성능을 보여주었다. 낮은 이온 양 밀도의 경우(실시예1) 물질전달저항에 의한 성능 감소를 보여주었다. As can be seen from FIG. 3A, the cell with the surface treated film of the present embodiments showed higher performance in the activation and resistance control regions than the cell with the film of the comparative example. In the case of low ion amount density (Example 1), the performance decrease by the material transfer resistance was shown.

도 3b로부터 알 수 있듯이, 낮은 이온 양 밀도의 경우(실시예1) 비교예와 대비하여 다소 높은 RP 를 보여주었는데, 이는 낮은 이온 양 밀도에서는 표면 형상 변화가 크지 않음을 보여주는 것이다. 반면, 1015 Ar+ /cm2 를 초과하는 이온 흐름으로 처리된 실시예2 내지 4의 막은 낮은 RP 를 보여주었다. As can be seen from FIG. 3b, in the case of low ion amount density (Example 1), it showed somewhat higher R P compared to the comparative example, which shows that the surface shape change is not large at low ion amount density. In contrast, the membranes of Examples 2-4 treated with ion flows in excess of 10 15 Ar + / cm 2 showed low R P.

도 3c의 CV는 실시예들의 막의 경우에 수소 흡수에 대한 피크 전류 밀도가 비교예의 막의 경우 보다 높다는 것을 보여준다. 이는 실시예들의 막의 경우에 비교예의 막과 대비하여 촉매 이용율이 더 높음을 보여주는 것이다. 이와 같은 상승된 촉매 이용율은 촉매와 전해질과의 접촉 향상에 기인하는 것으로 판단된다.The CV of FIG. 3C shows that the peak current density for hydrogen absorption in the case of the membrane of the examples is higher than that of the membrane of the comparative example. This shows that the catalyst utilization is higher in the case of the membrane of the examples compared to the membrane of the comparative example. This increased catalyst utilization is believed to be due to improved contact between the catalyst and the electrolyte.

도 4는 본 발명의 비교예 및 실시예들에 있어서 이온 양의 변화에 따른 800mA/cm2에서의 셀 전압, 0.8V에서의 전하전달저항 및 촉매 이용율을 각각 나타내는 그래프이다. 도 4에서 비교예 및 실시예들은 각 그래프의 X축 상에 0(즉, 비교예), 1×10E15(즉, 실시예1), 1×10E16(즉, 실시예2), 5×10E16(즉, 실시예3) 및 1×10E17(실시예4)와 같이 이온 양의 변화로 나타나 있다.4 is a graph showing the cell voltage at 800 mA / cm 2 , the charge transfer resistance at 0.8 V and the catalyst utilization rate according to the change in the amount of ions in the comparative examples and examples of the present invention. In FIG. 4, Comparative Examples and Examples are 0 (i.e., Comparative Example), 1x10E15 (i.e. Example 1), 1x10E16 (i.e. Example 2), 5x10E16 ( That is, it is shown by the change of an ion quantity like Example 3) and 1x10E17 (Example 4).

도 4로부터 알 수 있듯이, 800mA/cm2에서의 셀 전압은 실시예3(5×1016 이온/cm2 의 처리 조건)의 경우가 가장 높았다. 또한, 실시예3의 경우에 낮은 전하전달저항 및 46%의 높은 Pt 이용율을 보여주었다. 따라서, 이온 빔에 의한 표면 처리 막 중 특히 5×1016 이온/cm2 의 이온 빔에 의해 표면 처리되는 경우가 가장 우수한 것을 알 수 있었다. As can be seen from FIG. 4, the cell voltage at 800 mA / cm 2 was the highest in Example 3 (process conditions of 5 × 10 16 ions / cm 2 ). In addition, Example 3 showed low charge transfer resistance and high Pt utilization of 46%. Therefore, it turned out that the surface treatment film | membrane by ion beam especially surface-treats with the ion beam of 5x10 <16> ion / cm <2> .

한편, 막 표면이 거칠어질수록 표면에 나타나는 밸리와 피크는 비정상적인 구조를 보여주는데, 이와 같이 거친 표면은 촉매와 고분자 전해질이 접촉할 수 있는 더 많은 표면을 제공한다. 이온 양이 증가할 수록 막 표면은 더 크게 영향을 받으며 그 표면상에는 더 많은 피크와 밸리가 발생한다. 이와 같은 막은 촉매로 코팅되는 경우 코팅된 촉매층 두께에 큰 변화를 준다. 그러나, 막 표면이 지나치게 거칠어지게 되면 밸리에 촉매 입자가 빠져들게 되고 이와 같이 숨겨진 촉매 입자의 일부는 전기 화학 반응에 관여하지 않기 때문에 오히려 Pt 이용율이 저하되고 이에 따라 높은 표면 거칠기에도 불구하고 낮은 셀 성능을 나타내게 된다. On the other hand, as the surface of the membrane becomes rougher, the valleys and peaks appearing on the surface show an abnormal structure. Such a rough surface provides more surface to which the catalyst and the polymer electrolyte can contact each other. As the amount of ions increases, the membrane surface is more affected and more peaks and valleys occur on that surface. Such membranes give a great change in the thickness of the coated catalyst layer when coated with a catalyst. However, when the surface of the membrane becomes excessively rough, catalyst particles fall into the valley and some of the hidden catalyst particles do not participate in the electrochemical reaction, so the utilization rate of Pt is lowered, resulting in low cell performance despite high surface roughness. Will be displayed.

그러므로, 이온 빔을 조사하여 막의 표면을 거칠게 하더라도 이온 양 밀도를 조절하여 일정 수준까지만 표면 거칠기를 조절하는 것이 필요하며, 본 실험 결과로부터 알 수 있듯이, 셀 성능을 향상시킬 수 있는 이온 양 밀도는 이온 빔 에너지를 1keV로 하는 경우 바람직하게는 1×1015 이온/cm2 초과 5×1016 이온/cm2 이하이었고, 가장 바람직하게는 5×1016 이온/cm2 이었다.Therefore, even if the surface of the membrane is irradiated with an ion beam, it is necessary to control the surface roughness up to a certain level by adjusting the ion amount density. As can be seen from the results of this experiment, the ion amount density that can improve the cell performance is ions. When the beam energy is 1 keV, it is preferably greater than 1 × 10 15 ions / cm 2 and 5 × 10 16 ions / cm 2 , most preferably 5 × 10 16 ions / cm 2 .

셀 성능에 대한 촉매 Catalyst for Cell Performance 로딩양의Loading 영향 effect

비교예의 막 및 셀 성능을 가장 향상시킨 실시예3(5×1016 Ar+/cm2, 1keV)의 막에 대하여 각각 촉매 로딩양을 0.1 내지 0.55 mg-Pt/cm2으로 변화시키면서 캐소드 촉매 로딩양의 셀 성능에 대한 영향을 조사하였다.Cathode catalyst loading with varying catalyst loadings of 0.1 to 0.55 mg-Pt / cm 2 , respectively, for the membranes of Example 3 (5 × 10 16 Ar + / cm 2 , 1keV), which had the most improved membrane and cell performance of the comparative examples. The effect on positive cell performance was investigated.

도 5는 본 발명의 실시예3 및 비교예의 막을 사용한 단위 전지의 성능을 촉매 로딩양을 변화시키면서 측정한 그래프로서, 도 5a는 비교예의 경우의 분극 커브를 나타내고, 도 5b는 실시예3의 경우의 분극 커브를 나타내고, 도 5c는 실시예3 및 비교예의 막 각각에서 촉매 로딩양의 변화에 따른 800mA/cm2에서의 셀 전압을 나타낸다. 도 5에 관한 실험에서 애노드 촉매 로딩양은 0.3 mg-Pt/cm2이었고, H2/air를 사용하였다. 도 5c에서 비교예의 막을 이용한 셀은 "Untreated"로 표기되어 있고 실시예3의 막을 이용한 셀은 "Treated"로 표기되어 있다.5 is a graph measuring the performance of the unit cell using the membrane of Example 3 and Comparative Example of the present invention while varying the catalyst loading amount, Figure 5a shows the polarization curve in the comparative example, Figure 5b in Example 3 5C shows the cell voltage at 800 mA / cm 2 according to the change of the catalyst loading in each of the membranes of Example 3 and Comparative Example. In the experiment with respect to FIG. 5, the anode catalyst loading amount was 0.3 mg-Pt / cm 2 , and H 2 / air was used. In FIG. 5C, the cell using the membrane of the comparative example is labeled “Untreated” and the cell using the membrane of Example 3 is labeled “Treated”.

도 5a로부터 알 수 있듯이, 비교예의 막의 경우 촉매 로딩양이 0.1 mg-Pt/cm2로부터 0.3 mg-Pt/cm2으로 증가하면서 전류 밀도가 서서히 향상되다가 촉매 로딩양이 0.4 mg-Pt/cm2로 증가하면서 전류 밀도의 상승은 둔화되었다. 촉매 로딩양이 0.55 mg-Pt/cm2로 더 증가하는 경우 전극 두께로 인하여 고 전류 밀도 영역에서 물질전달저항에 의한 성능 감소가 명확하게 나타났다. As can be seen from FIG. 5a, in the case of the membrane of the comparative example, the current density gradually improved while the catalyst loading was increased from 0.1 mg-Pt / cm 2 to 0.3 mg-Pt / cm 2 , and the catalyst loading was 0.4 mg-Pt / cm 2. The increase in current density slowed down. When the catalyst loading was further increased to 0.55 mg-Pt / cm 2 , the decrease in performance due to the material transfer resistance was apparent in the high current density region due to the electrode thickness.

도 5b에 도시된 바와 같이, 실시예3의 막의 경우 도 5a의 비교예의 막의 경우와 대비하여, 0.1 내지 0.2 mg-Pt/cm2에서 성능 향상이 컸으며 0.3 내지 0.4 mg-Pt/cm2에서도 성능이 향상되었다. 0.55 mg-Pt/cm2의 촉매 로딩양의 경우 도 5a의 비교예의 막으로 제작된 셀의 경우와 대비할 때 물질전달저항에 의한 성능 감소가 더 빨리 발생하였다.As shown in FIG. 5B, the membrane of Example 3 has a larger performance improvement at 0.1 to 0.2 mg-Pt / cm 2 than the membrane of the comparative example of FIG. 5A, and even at 0.3 to 0.4 mg-Pt / cm 2 . Performance was improved. In the case of the catalyst loading amount of 0.55 mg-Pt / cm 2, the decrease in performance due to the material transfer resistance occurred faster than in the case of the cell manufactured with the membrane of the comparative example of FIG. 5A.

도 5c로부터 명백히 알 수 있듯이, 실시예3의 막을 가지는 셀의 경우 매우 높은 촉매 로딩양(0.55 mg-Pt/cm2)을 제외하고는 모든 촉매 로딩양 범위에서 비교예의 막을 가지는 셀 보다 그 성능이 높았다.As can be clearly seen from FIG. 5C, the cell having the membrane of Example 3 has a higher performance than the cell having the membrane of the comparative example in all catalyst loading ranges except for a very high catalyst loading amount (0.55 mg-Pt / cm 2 ). High.

도 6은 본 발명의 실시예3 및 비교예의 막을 사용한 단위 전지의 촉매 로딩양 변화에 따른 전하전달저항을 나타내는 그래프이다. 도 6에 관한 실험에서 애노드 촉매 로딩양은 0.3 mg-Pt/cm2이었고, H2/air를 사용하였다. 도 6에서 비교예의 막을 이용한 셀은 "Untreated"로 표기되어 있고 실시예3의 막을 이용한 셀은 "Treated"로 표기되어 있다.6 is a graph showing the charge transfer resistance according to the change in the catalyst loading amount of the unit cell using the membrane of Example 3 and Comparative Example of the present invention. In the experiment with respect to FIG. 6, the anode catalyst loading amount was 0.3 mg-Pt / cm 2 , and H 2 / air was used. In FIG. 6, the cell using the membrane of the comparative example is labeled "Untreated" and the cell using the membrane of Example 3 is labeled "Treated".

도 6으로부터 알 수 있듯이, 실시예3과 비교하여 비교예의 막의 경우 촉매 로딩량이 0.1 mg-Pt/cm2로부터 0.2 mg-Pt/cm2로 증가함에 따라서 Rp는 1.24 Ωcm2으로부터 1.17 Ωcm2로 감소하였고, 실시예3의 막의 경우는 Rp가 1.11 Ωcm2으로부터 0.79 Ωcm2로 크게 감소하였다. 나아가, 촉매 로딩양이 0.3 mg-Pt/cm2로부터 0.5 mg-Pt/cm2로 증가함에 따라서, 비교예의 막의 경우 Rp는 0.82 Ωcm2으로부터 0.55 Ωcm2로 서서히 감소하였다. 반면, 실시예3의 막의 경우 촉매 로딩양이 0.3 mg-Pt/cm2에서 0.59 Ωcm2 부근이었고 촉매 로딩양이 0.4 mg-Pt/cm2 및 0.55 mg-Pt/cm2인 경우 0.55 Ωcm2 부근에서 안정화되었다. As the Fig. As can be seen from 6, carried out in comparative example film when the amount of catalyst loading increased from 0.1 mg-Pt / cm 2 to 0.2 mg-Pt / cm 2 Comparative Example 3 R p is as 1.17 Ωcm 2 from 1.24 Ωcm 2 In the case of the membrane of Example 3, the R p was greatly reduced from 1.11 cm 3 to 0.79 cm 2 . Furthermore, as the catalyst loading increased from 0.3 mg-Pt / cm 2 to 0.5 mg-Pt / cm 2 , R p gradually decreased from 0.82 cm 2 to 0.55 cm 2 for the membrane of the comparative example. On the other hand, in Example 3, if the film in the amount of catalyst loading 0.3 mg-Pt / cm 2 0.59 Ωcm 2 near was a case where the catalyst loading amount of 0.4 mg-Pt / cm 2 and 0.55 mg-Pt / cm 2 0.55 Ωcm 2 near Stabilized at

요컨대, 0.55 mg-Pt/cm2 전의 촉매 로딩양에서 실시예3의 막을 가지는 셀이 비교예의 막을 가지는 셀보다 산소 환원에 대하여 더 낮은 저항을 나타내며 따라서 더 높은 촉매 활성을 나타내는 것을 알 수 있다.In short, it can be seen that in the catalyst loading amount before 0.55 mg-Pt / cm 2, the cell with the membrane of Example 3 exhibits lower resistance to oxygen reduction and thus higher catalytic activity than the cell with the membrane of the comparative example.

한편, 캐소드의 촉매 로딩양을 고정시키고 애노드의 촉매 로딩양을 변화시키는 경우에도 상기와 동일한 결과를 얻을 수 있었다.On the other hand, when the catalyst loading amount of the cathode was fixed and the catalyst loading amount of the anode was changed, the same result as described above was obtained.

결론conclusion

1keV에서 이온 양 밀도를 변화시켜 가면서 나피온 112 막에 Ar+ 을 충돌시킨 결과, 이온 전도도, 비친수 특성 및 막의 화학 구조의 변화없이도 막 표면의 RMS 거칠기가 21nm에서 204nm로 증가하였다.Ar + was impinged on the Nafion 112 membrane by varying the ion mass density at 1 keV. As a result, the RMS roughness of the membrane surface was increased from 21 nm to 204 nm without changing the ion conductivity, non-hydrophilicity, and chemical structure of the membrane.

한편, 이온 양 밀도를 증가시킴에 따라서 백금 촉매 이용율 및 셀 성능이 증가하였고, 이온 양 밀도가 5×1016 이온/cm2에서 최대값을 보여준 후 감소하였다. 이는 전극 촉매와 전해질막 사이의 계면 면적의 증가는 막의 표면 거칠기 증가에 따라서 일정 수준까지만 증가한다는 것을 보여준다. 일정 수준을 넘어서 표면 거칠기가 증가될 경우에는 촉매 일부분이 거칠게된 표면의 깊은 밸리로 빠지기 때문에 전극으로부터 고립되어 촉매 이용율 및 셀 성능의 감소를 초래하는 것으로 판단된다.On the other hand, as the ion amount density was increased, the platinum catalyst utilization and cell performance increased, and the ion amount density decreased after showing the maximum value at 5 × 10 16 ions / cm 2 . This shows that the increase in the interface area between the electrode catalyst and the electrolyte membrane only increases to a certain level as the surface roughness of the membrane increases. If the surface roughness is increased beyond a certain level, the portion of the catalyst falls into the deep valleys of the roughened surface, and thus is isolated from the electrode, which results in a decrease in catalyst utilization and cell performance.

비교예 및 실시예3의 나피온 112 막을 이용하는 단위 전지의 성능을 촉매 로딩양을 변화시켜 가면서 측정한 결과, 0.55 mg-Pt/cm2의 경우를 제외하고는 표면 처리된 실시예3의 막이 더 높은 셀 성능을 보여주었고, 바람직한 촉매 로딩양은 0.1 mg-Pt/cm2 이상 0.55 mg-Pt/cm2 미만임을 알 수 있었다.The performance of the unit cell using the Nafion 112 membrane of Comparative Example and Example 3 was measured while varying the catalyst loading, and as a result, the membrane of Example 3, which had been surface-treated except for 0.55 mg-Pt / cm 2 , was High cell performance was shown, and the preferred catalyst loading was 0.1 mg-Pt / cm 2 or more and less than 0.55 mg-Pt / cm 2 .

한편, 촉매 로딩양에 관한 실험으로부터 막 표면에 이온 빔을 충돌시킴에 의하여 촉매 로딩양이 감소할 수 있다는 것을 알 수 있었다.On the other hand, the experiments on the catalyst loading amount showed that the catalyst loading amount can be reduced by impinging the ion beam on the membrane surface.

본 발명에 따르면 이온 전도도, 비친수 특성 및 표면의 화학적 특성 등 전해질막의 다른 성능의 변화없이 전해질막의 표면 거칠기를 정교하게 조절하고 이에 따라 상기 전해질막이 사용되는 연료전지의 성능 향상을 달성할 수 있다.According to the present invention, it is possible to finely control the surface roughness of the electrolyte membrane without changing other performances of the electrolyte membrane, such as ionic conductivity, non-hydrophilicity characteristics and chemical properties of the surface, thereby achieving performance improvement of the fuel cell in which the electrolyte membrane is used.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이 나 변형을 포함할 것이다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications or variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims will include such modifications and variations as fall within the spirit of the invention.

Claims (13)

전해질막의 표면 처리 방법에 있어서, In the surface treatment method of the electrolyte membrane, 전해질막의 표면에 이온 빔을 조사하여 전해질막의 표면을 처리하는 것을 특징으로 하는 전해질막의 표면 처리 방법.The surface treatment method of the electrolyte membrane characterized by irradiating an ion beam to the surface of an electrolyte membrane, and treating the surface of an electrolyte membrane. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은,The method of claim 1, wherein the method is 상기 전해질막이 사용되는 셀의 성능을 증가시키도록 이온 빔 조사시 이온 빔 에너지를 일정하게 한 상태에서 단위 면적당 조사되는 이온의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 전해질막의 표면 처리 방법.The method of treating the surface of the electrolyte membrane, characterized in that to control the amount of ions irradiated per unit area while the ion beam energy is fixed at the time of ion beam irradiation to increase the performance of the cell in which the electrolyte membrane is used. 제 2 항에 있어서, 상기 방법은, The method of claim 2, wherein the method is 상기 면적당 조사되는 이온의 양을 이온 빔 에너지가 1keV인 상태에서 1×1015 이온/cm2 초과 5×1016 이온/cm2 이하로 하는 것을 특징으로 하는 전해질막의 표면 처리 방법.The per 1 × 10 15 ions / cm 2 greater than 5 × 10 16 ions / cm 2 of the electrolyte membrane surface processing method, characterized in that at most the amount of ions emitted from the ion beam energy of 1keV state. 제 3 항에 있어서, 상기 방법은, The method of claim 3, wherein the method is 상기 면적당 조사되는 이온의 양을 이온 빔 에너지가 1keV인 상태에서 5×1016 이온/cm2으로 하는 것을 특징으로 하는 전해질막의 표면 처리 방법.The amount of ions irradiated per area is 5 × 10 16 ions / cm 2 in a state where the ion beam energy is 1 keV. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은,The method according to any one of claims 1 to 4, wherein 상기 이온 빔으로서 Ar+ 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 전해질막의 표면 처리 방법.Ir + beam is irradiated as said ion beam, The surface treatment method of the electrolyte membrane characterized by the above-mentioned. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, The method according to any one of claims 1 to 4, wherein 상기 전해질막으로 나피온 막을 사용하는 것을 특징으로 하는 전해질막의 표면 처리 방법.A surface treatment method of an electrolyte membrane, characterized by using a Nafion membrane as the electrolyte membrane. 전해질막에 있어서, In the electrolyte membrane, 표면이 이온 빔으로 조사 처리된 것을 특징으로 하는 표면 처리된 전해질막.The surface-treated electrolyte membrane, characterized in that the surface is irradiated with an ion beam. 제 7 항에 있어서, 상기 전해질막은, The method of claim 7, wherein the electrolyte membrane, 상기 이온 빔의 에너지가 1keV인 상태에서 단위 면적당 조사되는 이온 양이 1×1015 이온/cm2 초과 5×1016 이온/cm2 이하인 것을 특징으로 하는 표면 처리된 전해질막.The amount of ions irradiated per unit area in a state where the energy of the ion beam is 1 keV is greater than 1 × 10 15 ions / cm 2 5 × 10 16 ions / cm 2 or less surface treated electrolyte membrane. 제 8 항에 있어서, 상기 전해질막은, The method of claim 8, wherein the electrolyte membrane, 상기 이온 빔의 에너지가 1keV인 상태에서 단위 면적당 조사되는 이온 양이 5×1016 이온/cm2인 것을 특징으로 하는 표면 처리된 전해질막.The surface of the electrolyte membrane, characterized in that the amount of ions irradiated per unit area in the state of the energy of the ion beam is 1keV 5 × 10 16 ions / cm 2 . 제 9 항에 있어서, 상기 전해질막은,The method of claim 9, wherein the electrolyte membrane, 상기 이온 빔이 Ar+ 빔인 것을 특징으로 하는 표면 처리된 전해질막.And the ion beam is an Ar + beam. 제 10 항에 있어서, 상기 전해질막은, The method of claim 10, wherein the electrolyte membrane, 상기 전해질막이 나피온 막인 것 특징으로 하는 표면 처리된 전해질막.Surface-treated electrolyte membrane, characterized in that the electrolyte membrane is Nafion membrane. 고분자전해질막 연료전지에 있어서, In the polymer electrolyte membrane fuel cell, 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 의한 표면 처리된 전해질막을 구비하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질막 연료전지. A polymer electrolyte membrane fuel cell comprising the electrolyte membrane surface-treated according to any one of claims 7 to 11. 제 12 항에 있어서, The method of claim 12, 상기 고분자전해질막 연료전지는 상기 전해질막에 대한 촉매 로딩양이 0.1 mg-Pt/cm2 이상 0.55 mg-Pt/cm2 미만인 것을 특징으로 하는 고분자전해질막 연료전지.The polymer electrolyte membrane fuel cell is a polymer electrolyte membrane fuel cell, characterized in that the catalyst loading amount for the electrolyte membrane is 0.1 mg-Pt / cm 2 or more and less than 0.55 mg-Pt / cm 2 .
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