KR20070087790A - Polymer electrolyte for fuel cell, preparing method thereof and membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same - Google Patents

Polymer electrolyte for fuel cell, preparing method thereof and membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same Download PDF

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Abstract

Provided are a polymer electrolyte membrane for a fuel cell which is excellent in dimension stability and hydrocarbon fuel barrier property, a method for preparing the polymer electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly for a fuel cell using the polymer electrolyte membrane. A polymer electrolyte membrane comprises a polymer electrolyte membrane base; and a crosslinked polymer layer which is formed on at least one surface of the polymer electrolyte membrane, wherein the crosslinked polymer layer comprises a polymer matrix formed by crosslinking a curing oligomer and an inorganic additive present in the polymer matrix. Preferably the inorganic additive has an average particle size of 2-1,000 nm and the crosslinked polymer layer has a thickness of 1-10 micrometers.

Description

연료 전지용 고분자 전해질 막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리{POLYMER ELECTROLYTE FOR FUEL CELL, PREPARING METHOD THEREOF AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL COMPRISING SAME}Polymer electrolyte membrane for fuel cell, method for manufacturing same, and membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same TECHNICAL FIELD [0001]

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면이고, 1 is a view schematically showing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention,

도 2은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a view schematically showing a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 치수 안정성 및 탄화수소 연료 차단성이 우수하여 연료전지의 출력밀도를 향상시킬 수 있는 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, a method for manufacturing the same, and a membrane-electrode assembly for a fuel cell including the same. More specifically, the dimensional stability and the hydrocarbon fuel barrier property can be improved to improve the output density of the fuel cell. A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, a method of manufacturing the same, and a membrane-electrode assembly for a fuel cell including the same.

[종래 기술][Prior art]

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a device.

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but it is easy to handle fuel and has a low operating temperature, so that it can be operated at room temperature, in particular, it does not require a fuel reformer.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화 전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.In such fuel cell systems, the stack that substantially generates electricity comprises several unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a structure laminated to several tens. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxidation electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") with a polymer electrolyte membrane containing a hydrogen ion conductive polymer therebetween. ) Is located.

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.The principle of generating electricity in a fuel cell is that fuel is supplied to an anode electrode, which is a fuel electrode, adsorbed to a catalyst of the anode electrode, and the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. Reaching the cathode electrode, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode electrode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode to generate electricity while producing water.

본 발명의 목적은 치수 안정성 및 연료에 대한 차단성이 우수하고, 연료전지의 출력밀도를 향상시킬 수 있는 연료 전지용 고분자 전해질 막 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane for a fuel cell and a method for producing the same, which are excellent in dimensional stability and fuel resistance, and can improve the output density of a fuel cell.

본 발명의 다른 목적은 상기 연료 전지용 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly including the polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고분자 전해질 막 기재, 및 상기 고분자 전해질 막 기재의 적어도 일면에 형성된 가교 결합 고분자층을 포함하고, 상기 가교 결합 고분자층은 경화형 올리고머가 가교 결합하여 형성된 고분자 매트 릭스 및 상기 고분자 매트릭스 내에 존재하는 무기 첨가제를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises a polymer electrolyte membrane substrate, and a crosslinked polymer layer formed on at least one surface of the polymer electrolyte membrane substrate, wherein the crosslinked polymer layer is a polymer matrix formed by crosslinking a curable oligomer And it provides a polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising an inorganic additive present in the polymer matrix.

본 발명은 또한 경화형 올리고머, 무기 첨가제, 반응 개시제 및 용매를 포함하는 가교 결합 고분자층 형성용 조성물을 제조하고, 상기 가교 결합 고분자층 형성용 조성물을 고분자 전해질 막 기재의 적어도 일면에 도포하고, 상기 도포된 가교 결합 고분자층 형성용 조성물에 대하여 자외선 또는 전자빔을 조사하여 가교 결합 고분자층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a crosslinked polymer layer-forming composition comprising a curable oligomer, an inorganic additive, a reaction initiator, and a solvent, applying the crosslinked polymer layer-forming composition to at least one surface of a polymer electrolyte membrane substrate, and applying the composition. It provides a method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising the step of forming a cross-linked polymer layer by irradiating ultraviolet light or electron beam to the composition for forming a cross-linked polymer layer.

본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하며, 상기 구성을 갖는 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also provides an anode electrode and a cathode electrode which face each other, and a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane having the above configuration and positioned between the anode electrode and the cathode electrode.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

연료 전지에서 고분자 전해질 막은 애노드 전극 및 캐소드 전극을 전기적으로 분리하는 절연체이나, 전지 작동 중에 애노드 전극으로부터 캐소드 전극으로 수소 이온을 전달하는 매개체로 작용하며, 연료 및 산화제를 분리하는 역할을 동시에 수행한다. In the fuel cell, the polymer electrolyte membrane serves as an insulator for electrically separating the anode electrode and the cathode electrode, but serves as a medium for transferring hydrogen ions from the anode electrode to the cathode electrode during cell operation, and simultaneously serves to separate fuel and oxidant.

따라서, 고분자 전해질 막은 전기화학적 안정성이 우수해야하고, 고전류 밀도에서 저항 손실(ohmic loss)이 적어야 하며, 전지 작동 중에 반응물의 분리능이 우수하여야 할 뿐만 아니라 스택 구성을 위해서는 일정한 수준의 기계적 물성과 치수 안정성이 요구된다.Therefore, the polymer electrolyte membrane should have excellent electrochemical stability, low ohmic loss at high current density, excellent resolution of reactants during cell operation, and a certain level of mechanical properties and dimensional stability for stack construction. Is required.

연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되는 퍼플루오로설포네이트 수지 막은 통상적으로 50 내지 175㎛의 두께를 가지며, 압출(extrusion)법이나 캐스팅(casting)법에 의해 필름 형태로 제조된다. 이때, 두께를 증가시켜 치수안정성 및 기계적 물성을 향상시키고자 할 경우에는 고분자 전해질 막의 전도도(conductance)가 감소되고, 막의 저항을 낮추기 위하여 두께를 감소시킬 경우에는 고분자 전해질 막의 기계적 물성이 저하되는 문제가 있었다. 또한, 상기 퍼플루오로설포네이트 수지 막은 온도 및 수화 정도에 따라, 소수성 영역과 미세 상분리된 친수성 클러스터의 팽윤 및 수축에 의해 15 내지 20% 내외의 두께 및 부피 변화가 일어난다. 결과 박막 상태에서는 치수 안정성이 저하되는 단점이 있었다. Perfluorosulfonate resin membranes used as polymer electrolyte membranes in fuel cells typically have a thickness of 50 to 175 μm, and are manufactured in the form of a film by extrusion or casting. At this time, in order to improve the dimensional stability and mechanical properties by increasing the thickness, the conductivity of the polymer electrolyte membrane is reduced, and when the thickness is decreased to decrease the resistance of the membrane, the mechanical properties of the polymer electrolyte membrane are deteriorated. there was. In addition, the perfluorosulfonate resin film has a thickness and volume change of about 15 to 20% due to swelling and shrinkage of hydrophilic clusters separated from hydrophobic regions and microphases according to temperature and degree of hydration. As a result, there was a disadvantage in that the dimensional stability was degraded in the thin film state.

특히, 직접 산화형 연료전지에서는 고분자 전해질 막의 두께가 지나치게 얇을 경우 전지 작동 중에 반응하지 않은 연료가 고분자 막을 통과하여 연료 손실이 발생하며, 또한 고분자 전해질 막을 통과한 연료가 캐소드 전극에서 산화되므로 산소의 환원자리를 감소시켜 전지 성능을 저하시키는 문제가 있다. 또한 연료 및 수분 등에 의한 고분자 전해질 막의 팽윤으로 치수안정성이 저하되어 전극과 전해질 계면이 열화되는 현상이 발생한다는 문제점이 있다.Particularly, in the direct oxidation fuel cell, when the thickness of the polymer electrolyte membrane is too thin, fuel that is not reacted during the operation of the cell passes through the polymer membrane, resulting in fuel loss, and the fuel that passes through the polymer electrolyte membrane is oxidized at the cathode electrode, thereby reducing oxygen. There is a problem of reducing the battery performance by reducing the seat. In addition, dimensional swelling of the polymer electrolyte membrane due to fuel and water, the dimensional stability is lowered, there is a problem that the electrode and the electrolyte interface deteriorates.

이에 대해 본 발명에서는 고분자 전해질 막 기재의 일 면에 가교 결합 고분자층을 더욱 형성함으로써, 수소 이온 전도도의 감소 없이 고분자 전해질 막의 치수안정성, 및 연료에 대한 차단성을 향상시키고 이에 따라 연료전지의 출력밀도를 향상시킬 수 있었다. On the other hand, in the present invention, by further forming a crosslinked polymer layer on one surface of the polymer electrolyte membrane substrate, the dimensional stability of the polymer electrolyte membrane and the fuel barrier properties are improved without a decrease in the hydrogen ion conductivity, and thus the output density of the fuel cell. Could improve.

상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질 막은, 고분자 전해 질 막 기재, 및 상기 고분자 전해질 막 기재의 적어도 일면에 형성된 가교 결합 고분자층을 포함한다. In detail, the polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention includes a polymer electrolyte membrane substrate and a crosslinked polymer layer formed on at least one surface of the polymer electrolyte membrane substrate.

상기 가교 결합 고분자층은 경화형 올리고머가 가교 결합하여 형성된 고분자 매트릭스, 및 상기 고분자 매트릭스 내에 존재하는 무기 첨가제를 포함하는 것이 바람직하다.The crosslinked polymer layer preferably includes a polymer matrix formed by crosslinking a curable oligomer and an inorganic additive present in the polymer matrix.

상기 경화형 올리고머로는, 구체적으로 폴리디메틸실록산, 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,4-부탄디올디아크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 펜타에리스리톨테트라아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 디펜타에리스리톨디아크릴레이트, 솔비톨트리아크릴레이트, 비스페놀 A 디아크릴레이트 유도체, 트리메틸프로판트리아크릴레이트, 에틸렌옥사이드 부가형 트리메틸프로판트리아크릴레이트, 디펜타에리스리톨폴리아크릴레이트, 1,4-부탄디올디메타크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 펜타에리스리톨테트라메타크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 디펜타에리스리톨디메타크릴레이트, 솔비톨트리메타크릴레이트, 비스페놀 A 디메타크릴레이트 유도체, 트리메틸프로판트리메타크릴레이트, 에틸렌옥사이드 부가형 트리메틸프로판트리메타크릴레이트, 디펜타에리스리톨폴리메타크릴레이트 등) 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.Specific examples of the curable oligomer include polydimethylsiloxane, polyethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, 1,4-butanediol diacrylate, 1,3-butylene glycol diacrylate, and ethylene glycol diacrylate. , Pentaerythritol tetraacrylate, triethylene glycol diacrylate, ethylene glycol diacrylate, dipentaerythritol diacrylate, sorbitol triacrylate, bisphenol A diacrylate derivative, trimethyl propane triacrylate, ethylene oxide addition type trimethyl propane Triacrylate, dipentaerythritol polyacrylate, 1,4-butanediol dimethacrylate, 1,3-butylene glycol dimethacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, pentaerythritol tetramethacrylate, triethylene glycol Dimethacrylate, Ethylene Glycol Dimethacrylate, dipentaerythritol dimethacrylate, sorbitol trimethacrylate, bisphenol A dimethacrylate derivative, trimethylpropanetrimethacrylate, ethylene oxide addition type trimethylpropanetrimethacrylate, dipentaerythritol polymethacrylate Rate) or a mixture thereof.

상기 경화형 올리고머는 자외선 또는 전자빔 조사에 의해 가교 결합하여 고분자 매트릭스를 형성함으로써 치수 안정성을 증가시키는 역할을 한다. 이때 상기 경화형 올리고머는 20 내지 70% 정도의 가교도를 유지하는 것이 바람직하다. The curable oligomer serves to increase dimensional stability by crosslinking by ultraviolet or electron beam irradiation to form a polymer matrix. In this case, it is preferable that the curable oligomer maintain a degree of crosslinking of about 20 to 70%.

상기 고분자 매트릭스 내에는 무기 첨가제가 존재한다.Inorganic additives are present in the polymer matrix.

상기 무기 첨가제는 친수성 무기 이온 전도체로, 전기 전도성이 없으며, 비수용성이다. 상기 무기 첨가제는 미세 분말 형태로 고분자 매트릭스중에 분산되어 존재함으로써, 수소 이온의 이동 자리(site)를 증대시켜 수소 이온 전도성의 저하 방지 역할을 한다.The inorganic additive is a hydrophilic inorganic ion conductor, has no electrical conductivity and is water-insoluble. The inorganic additive is dispersed in the polymer matrix in the form of fine powder, thereby increasing the migration site of the hydrogen ions, thereby preventing the reduction of the hydrogen ion conductivity.

상기 무기 첨가제는 2 내지 1000nm 평균 입자 크기, 바람직하게는 10 내지 300nm의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다, 무기 첨가제의 평균 입자 크기가 2 nm 보다 작으면 수소 이동 자리로서의 역할을 하지 못하여 바람직하지 않고, 또한 1000nm를 초과하면 분산의 어려움이 있으므로 바람직하지 않다. The inorganic additive preferably has an average particle size of 2 to 1000 nm, preferably an average particle size of 10 to 300 nm. If the average particle size of the inorganic additive is smaller than 2 nm, the inorganic additive does not serve as a hydrogen transfer site and is not preferable. In addition, when it exceeds 1000 nm, since it is difficult to disperse, it is not preferable.

이와 같은 무기 첨가제로는 인텅스텐산(phosphotungstic acid), 인 몰리브덴산(phosphomolibdic acid), 규소텅스텐산(silicotungstic acid), 지르코늄 하이드로겐 포스페이트, α-Zr(Oa1PCHa2OH)a(Ob1PCb2Hb4SOb5H)b·nH2O, γ-Zr(POa1)(Ha2POa3)a(HOb1PCb2Hb3SOb4H)b·nH2O, Zr(Oa1PCa2Ha3)aYb, Zr(Oa1PCHa2OH)aYb·nH2O, α-Zr(Oa1PCa2Ha3SOa4H)a·nH2O, α-Zr(Oa1POH)·nH2O, (P2O5)a(ZrO2)b 유리(glass), P2O5-ZrO2-SiO2 유리 및 이들의 양이온 교환된 헤테로 폴리산(cation exchanged hetero polyacid)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 식에서, a1, a2, a3, a, b1, b2, b3, b4, b5 및 b는 동일하거나 서로 독립적으로 0 내지 14의 정수이고, n은 0 내지 50의 정수이다.Such inorganic additives include phosphotungstic acid, phosphomolibdic acid, silicon tungstenic acid, zirconium hydrogen phosphate, and α-Zr (O a1 PCH a2 OH) a (O b1 PC b2 H b4 SO b5 H) b · nH 2 O, γ-Zr (PO a1) (H a2 PO a3) a (HO b1 PC b2 H b3 SO b4 H) b · nH 2 O, Zr (O a1 PC a2 H a3) a Y b, Zr (O a1 PCH a2 OH) a Y b · nH 2 O, α-Zr (O a1 PC a2 H a3 SO a4 H) a · nH 2 O, α-Zr (O a1 POH NH 2 O, (P 2 O 5 ) a (ZrO 2 ) b glass, P 2 O 5 -ZrO 2 -SiO 2 glass and their cation exchanged hetero polyacids One or more mixtures selected from the group consisting of can be used. Wherein a1, a2, a3, a, b1, b2, b3, b4, b5 and b are the same or independently from each other an integer from 0 to 14 and n is an integer from 0 to 50.

또한, 상기 무기 첨가제는 무기 담체에 담지된 형태로 사용될 수도 있다.In addition, the inorganic additive may be used in a form supported on the inorganic carrier.

상기 무기 담체에 담지된 무기 첨가제는 고분자 매트릭스 내에 일정 크기로 분산되어, 기계적 물성을 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 무기 담체로는 실리카(fumed silica, 상품명: Aerosil, Cabo-sil 등), 클레이, 알루미나, 마이카 또는 제올라이트(zeolite, 상품명: SAPO-5, XSM-5, AIPO-5, VPI-5 및 MCM-41 등) 등을 사용할 수 있다. 상기 클레이로는 피로필라이트-탈크(pyrophylite-talc), 몬모릴로나이트(montmorillonitel: MMT), 사포나이트(saponite), 플루오르헥토라이트(fluorohectorite), 카올리나이트 (kaolinte), 버미큘리트(vermiculit), 라포나이트(laponite), 일라이트(illite), 마이카(mica), 브리틀 마이카(brittle mica), 테트라실린 마이카(tetrasilicic mica)를 들 수 있다. 상기 무기 담체는 무기 첨가제 100중량부에 대하여 1 내지 10중량부, 보다 바람직하게는 1 내지 3중량부로 혼합되어 사용될 수 있다. 무기 담체의 함량이 1중량부 미만이면 무기 지지체의 특성이 나타나지 않아 바람직하지 않고, 10 중량부를 초과하면 양이온 전도도가 저하되어 바람직하지 않다.The inorganic additives supported on the inorganic carrier may be dispersed in a predetermined size in the polymer matrix to further improve mechanical properties. Examples of the inorganic carrier include silica (fumed silica, trade name: Aerosil, Cabo-sil, etc.), clay, alumina, mica, or zeolite (trade name: SAPO-5, XSM-5, AIPO-5, VPI-5, and MCM- 41 and the like) can be used. The clay includes pyrophylite-talc, montmorillonitel (MMT), saponite, fluorohectorite, kaolinte, vermiculit, laponite (laponite) laponite, illite, mica, brittle mica, tetrasilicic mica. The inorganic carrier may be used in an amount of 1 to 10 parts by weight, more preferably 1 to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the inorganic additive. If the content of the inorganic carrier is less than 1 part by weight, the properties of the inorganic support do not appear, which is not preferable.

상기 무기 첨가제는 가교 결합 고분자층 총 중량에 대하여 1 내지 15중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 2 내지 5중량%로 포함될 수 있다. 무기 첨가제의 함량이 1중량% 미만이면 수소이온 전달력이 떨어지므로 바람직하지 않고, 15중량%를 초과하면 가교결합을 통한 치수 안정성을 떨어뜨릴수 있으므로 바람직하지 않다.The inorganic additive may be included in an amount of 1 to 15% by weight, and more preferably 2 to 5% by weight, based on the total weight of the crosslinked polymer layer. If the content of the inorganic additive is less than 1% by weight is not preferable because the hydrogen ion transfer force is lowered, if it exceeds 15% by weight it is not preferable because it may lower the dimensional stability through crosslinking.

상기와 같이 경화형 올리고머가 가교결합하여 형성된 고분자 매트릭스 및 상 기 고분자 매트릭스내에 존재하는 무기 첨가제를 포함하는 가교 결합 고분자층은 1 내지 10㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2 내지 5㎛의 두께를 가질 수 있다. 가교 결합 고분자층의 두께가 1㎛ 미만이면 치수안정성을 유지시키기가 어려우므로 바람직하지 않고, 10㎛를 초과하면 수소 전달력을 저하시키므로 바람직하지 않다.As described above, the crosslinked polymer layer including the polymer matrix formed by crosslinking the curable oligomer and the inorganic additive present in the polymer matrix preferably has a thickness of 1 to 10 μm, more preferably 2 to 5 μm. It may have a thickness of. If the thickness of the crosslinked polymer layer is less than 1 mu m, it is not preferable because it is difficult to maintain dimensional stability, and if it exceeds 10 mu m, the hydrogen transfer force is lowered, which is not preferable.

상기 가교 결합 고분자층은 고분자 전해질 막 기재의 적어도 일면에 위치한다. 보다 바람직하게는 고분자 전해질막 기재의 양면에 위치할 수도 있다.The crosslinked polymer layer is located on at least one surface of the polymer electrolyte membrane substrate. More preferably, it may be located on both sides of the polymer electrolyte membrane substrate.

상기 고분자 전해질 막 기재는 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가지는 것으로서, 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. The polymer electrolyte membrane substrate has an ion exchange function for transferring hydrogen ions generated in the catalyst layer of the anode electrode to the catalyst layer of the cathode electrode, and is generally used as a polymer electrolyte membrane in a fuel cell and has a hydrogen ion conductivity. Anything prepared with may be used. Representative examples thereof include a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain.

또한 상기 양이온 교환 수지는 이온 교환비가 3 내지 33이고, 당량 중량(equivalent weight: EW)이 700 내지 2,000인 것이 바람직하다. 상기 이온 교환 수지의 이온 교환비란, 고분자 주쇄(backbone)의 탄소 및 양이온 교환기의 수에 의하여 정의된다. 또한, 이온 교환비가 3 내지 33이면, 당량 중량이 700 내지 2,000에 해당된다. In addition, the cation exchange resin preferably has an ion exchange ratio of 3 to 33 and an equivalent weight (EW) of 700 to 2,000. The ion exchange ratio of the ion exchange resin is defined by the number of carbon and cation exchange groups in the polymer backbone. Moreover, when ion exchange ratio is 3-33, the equivalent weight corresponds to 700-2,000.

상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.  Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone At least one hydrogen ion conductive polymer selected from a polymer, a polyether-etherketone-based polymer and a polyphenylquinoxaline-based polymer may be used, and more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxyl) Acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bi One or more selected from the group consisting of benzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) and poly (2,5-benzimidazole) can be used.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다. In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, H may be substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium. In case of replacing H by Na in the ion-exchange group of the side chain terminal, NaOH is substituted in the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is used in the case of using tetrabutylammonium, and K, Li or Cs is also substituted with appropriate compounds. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

상기 고분자 전해질 막 기재는 10 내지 200㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 고분자 전해질 막 기재의 제조 방법, 열간 압연의 방법 및 조건은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다. The polymer electrolyte membrane substrate preferably has a thickness of 10 to 200㎛. Since the method for producing the polymer electrolyte membrane substrate, the method and the conditions of the hot rolling are well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

상기와 같은 구성을 갖는 연료전지용 고분자 전해질 막은 하기와 같은 제조방법에 의해 제조될 수 있다.The polymer electrolyte membrane for a fuel cell having the configuration as described above may be prepared by the following manufacturing method.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질 막의 제조방법은 경 화형 올리고머, 무기 첨가제, 반응 개시제 및 용매를 포함하는 가교 결합 고분자층 형성용 조성물을 제조하고, 상기 가교 결합 고분자층 형성용 조성물을 고분자 전해질 막 기재의 적어도 일면에 도포하고, 그리고 상기 도포된 가교 결합 고분자층 형성용 조성물에 대하여 자외선 또는 전자빔을 조사하여 가교 결합 고분자층을 형성하는 단계를 포함한다.Method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to an embodiment of the present invention to prepare a composition for forming a cross-linked polymer layer comprising a curable oligomer, an inorganic additive, a reaction initiator and a solvent, the composition for forming a cross-linked polymer layer And applying to at least one surface of the polymer electrolyte membrane substrate, and irradiating ultraviolet rays or electron beams to the applied composition for forming a crosslinked polymer layer to form a crosslinked polymer layer.

상세하게는, 먼저 경화형 올리고머, 무기 첨가제, 반응 개시제 및 용매를 포함하는 가교 결합 고분자층 형성용 조성물을 제조한다.Specifically, first, a composition for forming a crosslinked polymer layer including a curable oligomer, an inorganic additive, a reaction initiator, and a solvent is prepared.

상기 가교 결합 고분자층 형성용 조성물은 조성물 총 중량에 대하여 경화형 올리고머 65 내지 90 중량%, 무기 첨가제 1 내지 15 중량%, 반응 개시제 2 내지 10중량% 및 잔부의 용매를 포함하는 것이 바람직하고, 경화형 올리고머 75 내지 85 량%, 무기 첨가제 2 내지 5중량%, 반응 개시제 2 내지 7중량% 및 용매 10 내지 25 중량%를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 상기 함량 범위내에서는 우수한 치수안정성 및 연료에 대한 차단성이 우수한 가교 결합 고분자층을 형성할 수 있어 바람직하다.The crosslinking polymer layer-forming composition preferably contains 65 to 90 wt% of a curable oligomer, 1 to 15 wt% of an inorganic additive, 2 to 10 wt% of a reaction initiator, and a residual solvent, and a curable oligomer based on the total weight of the composition. More preferably, it contains 75 to 85% by weight, 2 to 5% by weight of inorganic additive, 2 to 7% by weight of reaction initiator, and 10 to 25% by weight of solvent. Within the content range, it is preferable to form a crosslinked polymer layer having excellent dimensional stability and excellent fuel barrier property.

상기 경화형 올리고머 및 무기 첨가제는 앞서 설명한 바와 동일하다.The curable oligomer and the inorganic additive are the same as described above.

상기 반응 개시제는 올리고머의 경화를 개시하기 위한 역할을 하는 것으로서, 제조 공정이 완료되어 가교 결합 고분자층이 형성되면, 형성된 가교 결합 고분자 층에는 잔존하지 않는다. The reaction initiator plays a role for initiating curing of the oligomer. When the manufacturing process is completed to form a crosslinked polymer layer, the reaction initiator does not remain in the formed crosslinked polymer layer.

상기 반응개시제로는 올리고머의 가교 반응을 개시할 수 있는 화합물이라면 특별히 한정되지 않는다. 대표적으로는 벤조인류; 벤조인메틸에테르, 벤조인에틸 에테르, 벤조인이소프로필에틸 등의 벤조인 알킬 에테르류; 아세토페논, 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논, 2,2-디에톡시-2-페닐아세토페논, 1,1-디클로로아세토페논 등의 아세토페논류; 2-메틸-1-[4-(메틸티오)페닐]-2-모르몰리노프로파논-1,2-벤질-2-디메틸아미노-1-(4-모르폴리노페닐)-부타논-1 등의 아미노아세토페논류; 2-메틸안트라퀴논, 2-에틸안트라퀴논, 2-t-부틸안트라퀴논 등의 안트라퀴논류; 2,4-디메틸티오크산톤 등의 티오크산톤류; 아세토페논디메틸케탈, 벤질디메틸케탈 등의 케탈류; 벤조페논 등의 벤조페논류; 크산톤류; 트리아진류; 이미다졸류; (2,6-디메톨시벤조일)-2,4,4-펜틸포스핀옥사이드, 비스(2,4,6-트리메틸벤조일)-페닐포스핀옥사이드, 2,4,6-트리메틸벤조일디페닐포스핀옥사이드, 에틸-2,4,6-트리메틸벤조일페닐포스피네이트 등의 포스핀옥사이드류; 또는 각종 퍼옥사이드류 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 α-아미노 아세토페논(α-Amino Acetophenone: Irgacure907®, 시바스페셜티케미칼사제)이다. The reaction initiator is not particularly limited as long as it is a compound capable of initiating a crosslinking reaction of the oligomer. Typically, benzoin; Benzoin alkyl ethers such as benzoin methyl ether, benzoin ethyl ether and benzoin isopropylethyl; Acetophenones such as acetophenone, 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, 2,2-diethoxy-2-phenylacetophenone, and 1,1-dichloroacetophenone; 2-methyl-1- [4- (methylthio) phenyl] -2-morpholinopropaneone-1,2-benzyl-2-dimethylamino-1- (4-morpholinophenyl) -butanone-1 Aminoacetophenones such as these; Anthraquinones such as 2-methylanthraquinone, 2-ethylanthraquinone and 2-t-butylanthraquinone; Thioxanthones, such as 2, 4- dimethyl thioxanthone; Ketals such as acetophenone dimethyl ketal and benzyl dimethyl ketal; Benzophenones such as benzophenone; Xanthones; Triazines; Imidazoles; (2,6-dimetholoxybenzoyl) -2,4,4-pentylphosphineoxide, bis (2,4,6-trimethylbenzoyl) -phenylphosphine oxide, 2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylforce Phosphine oxides such as pin oxide and ethyl-2,4,6-trimethylbenzoylphenylphosphinate; Or it may be used such as various peroxides acids, preferably α- amino acetophenone: A (α-Amino Acetophenone Irgacure907 ®, Ciba Specialty Chemicals Corp.).

상기 반응 개시제는 상기 경화형 올리고머의 함량에 대하여 일정비로 포함되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 경화형 올리고머 100중량부에 대하여 2 내지 10중량부로 포함될 수 있다. 상기 반응 개시제의 함량이 2중량부 미만이면 올리고머의 분자량이 낮게 되어 바람직하지 않고, 또한 10중량부를 초과하면 반응속도를 조절하기 힘들게 되어 바람직하지 않다.The reaction initiator is preferably included in a predetermined ratio with respect to the content of the curable oligomer, more preferably may be included in 2 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the curable oligomer. If the content of the reaction initiator is less than 2 parts by weight, the molecular weight of the oligomer is not preferable, and if it exceeds 10 parts by weight, it is difficult to control the reaction rate is not preferable.

상기 용매로는 상기 가교 결합 고분자층 형성용 조성물의 용해성 및 코팅성에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 구체적으로는 N-메틸-2-피롤리디논, 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, 테트라하이드로퓨란, 디메틸설폭사이드, 아세톤, 메틸에틸케톤, 테트라메틸우레아, 트리메틸포스페이트, 부티로락톤, 이소포론, 카르비톨아세테이트, 메틸이소부틸케톤, N-부틸아세테리드, 시클로 헥사논, 디이소부틸케톤, 에틸아세토아세테이트, 클리콜에테르, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 디메틸카본이트, 디에틸카보네이트 등을 예시할 수가 있고, 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수가 있다.The solvent may be appropriately selected and used according to the solubility and coating property of the composition for forming a crosslinked polymer layer. Specifically, N-methyl-2-pyrrolidinone, dimethylformamide, dimethylacetamide, tetrahydrofuran, Dimethyl sulfoxide, acetone, methyl ethyl ketone, tetramethyl urea, trimethyl phosphate, butyrolactone, isophorone, carbitol acetate, methyl isobutyl ketone, N-butyl acetate, cyclo hexanonone, diisobutyl ketone, ethyl Acetoacetate, glycol ether, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, etc. can be illustrated, These can be used individually or in mixture of 2 or more types.

상기 용매는 적절한 점도로 가교 결합 고분자층을 형성할 수 있도록 상기 가교 결합 고분자층 형성용 조성물에 잔부로 포함될 수 있다.The solvent may be included as a remainder in the composition for forming a crosslinked polymer layer to form a crosslinked polymer layer with an appropriate viscosity.

상기 제조된 가교 결합 고분자층 형성용 조성물을 고분자 전해질 막 기재에 도포한다.The prepared cross-linked polymer layer-forming composition is applied to a polymer electrolyte membrane substrate.

상기 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 및 슬롯 다이 코팅법 등으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 스크린 프린팅 법을 사용할 수 있다.The coating process is selected from the group consisting of screen printing method, spray coating method, coating method using a doctor blade, gravure coating method, dip coating method, silk screen method, painting method and slot die coating method according to the viscosity of the composition It may be carried out by a method, but is not limited thereto. More preferably, the screen printing method can be used.

상기 고분자 전해질 막 기재는 앞서 설명한 바와 동일한 것을 사용할 수 있다. The polymer electrolyte membrane substrate may be the same as described above.

이후 가교 결합 고분자층 형성용 조성물이 도포된 고분자 전해질 막 기재에 대하여 통상의 방법으로 자외선 또는 전자 빔을 조사하여 가교 결합 고분자층을 형성함으로써 고분자 전해질 막을 제조할 수 있다. Thereafter, the polymer electrolyte membrane may be prepared by irradiating an ultraviolet ray or an electron beam to a polymer electrolyte membrane substrate coated with a composition for forming a crosslinked polymer layer to form a crosslinked polymer layer.

상기 경화형 올리고머는 무기 첨가제와 균일하게 혼합된 상태에서 가교 반응에 의하여 망상 구조의 고분자 매트릭스를 형성하므로, 고분자 전해질 막의 치수 안정성을 효과적으로 향상시킬 수 있고 또한 반응물의 고분자 전해질 막을 통한 크로스오버를 억제할 수 있다.Since the curable oligomer forms a polymer matrix having a network structure by a crosslinking reaction in a uniformly mixed state with an inorganic additive, it is possible to effectively improve the dimensional stability of the polymer electrolyte membrane and also to suppress crossover through the polymer electrolyte membrane of the reactants. have.

상기와 같이 하여 제조된 고분자 전해질 막은 치수안정성, 및 연료에 대한 차단성이 우수하여, 이 전해질 막을 연료 전지에 적용하는 경우 출력 밀도를 향상시킬 수 있다.The polymer electrolyte membrane prepared as described above has excellent dimensional stability and fuel barrier property, and when the electrolyte membrane is applied to a fuel cell, the output density can be improved.

이와 같은 고분자 전해질 막은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하여 막-전극 어셈블리를 이룰 수 있다.Such a polymer electrolyte membrane may be positioned between the cathode electrode and the anode electrode to form a membrane-electrode assembly.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치한 상기 고분자 전해질 막을 포함한다. That is, the membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes an anode electrode and a cathode electrode disposed to face each other; And the polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode.

도 1은 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면도이다. 1 is a schematic cross-sectional view of a membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention.

도 1를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(10)는 고분자 전해질 막(50) 및 상기 고분자 전해질 막(50)의 양면에 각각 배치되는 상기 연료 전지용 전극(20, 20')을 포함한다. 상기 전극(20, 20')은 전극기재(40, 40')과 상기 전극기재 표면에 형성된 촉매층(30, 30')을 포함한다.Referring to FIG. 1, the membrane-electrode assembly 10 according to an exemplary embodiment of the present invention may include the polymer electrolyte membrane 50 and the fuel cell electrodes 20 and 20 disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 50, respectively. Include '). The electrodes 20 and 20 'include electrode substrates 40 and 40' and catalyst layers 30 and 30 'formed on the surface of the electrode substrate.

상기 막-전극 어셈블리(10)에서, 고분자 전해질 막(50)의 일면에 배치되는 전극(20)을 애노드 전극(또는 캐소드 전극)이라 하고, 다른 일면에 배치되는 전극 (20')을 캐소드 전극(또는 애노드 전극)이라 한다. 애노드 전극(20)은 전극기재(40)를 지나 촉매층(30)으로 전달된 연료로부터 수소이온과 전자를 생성시키는 산화반응을 일으키고, 고분자 전해질 막(50)은 상기 애노드 전극(20)에서 발생한 수소이온을 캐소드 전극(20')으로 이동시키며, 캐소드 전극(20')은 상기 고분자 전해질 막(50)을 통해 공급받은 수소이온과 전극기재(40')를 지나 촉매층(30')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원반응을 일으킨다. In the membrane-electrode assembly 10, the electrode 20 disposed on one surface of the polymer electrolyte membrane 50 is called an anode electrode (or a cathode electrode), and the electrode 20 ′ disposed on the other surface is called a cathode electrode ( Or anode electrode). The anode electrode 20 causes an oxidation reaction to generate hydrogen ions and electrons from the fuel transferred to the catalyst layer 30 through the electrode base 40, and the polymer electrolyte membrane 50 is hydrogen generated from the anode electrode 20. Ions are moved to the cathode electrode 20 ', and the cathode electrode 20' passes through the hydrogen ions supplied through the polymer electrolyte membrane 50 and the electrode base 40 'and is transferred to the catalyst layer 30'. Causes a reduction reaction to produce water.

상기 촉매층은 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 것으로, 금속 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 금속 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금, 백금-루테늄-M 합금 (M=Ga, Ti, V, Sn, W, Rh, Mo, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. 이와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극은 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극 촉매로는 보다 바람직하다. 그 대표적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. The catalyst layer catalyzes the related reaction (oxidation of fuel and reduction of oxidant) and preferably includes a metal catalyst. The metal catalyst may be platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy, platinum-ruthenium-M alloy (M = Ga, Ti, V, Sn, W, One or more selected from the group consisting of Rh, Mo, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn). As described above, the anode electrode and the cathode electrode may use the same material, but in order to prevent the catalyst poisoning caused by CO generated during the anode electrode reaction in the direct oxidation fuel cell, a platinum-ruthenium alloy catalyst is used as the anode. It is more preferable as an electrode catalyst. Representative examples include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / One or more selected from the group consisting of Ru / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, and Pt / Ru / Sn / W can be used.

또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄 소, 케첸 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다. In addition, such a metal catalyst may be used as the metal catalyst (black) itself, or may be supported on a carrier. As the carrier, carbon such as acetylene black, denka black, activated carbon, ketjen black, graphite may be used, or inorganic fine particles such as alumina, silica, titania, zirconia or the like may be used. .

상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천((섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrate plays a role of supporting the electrode and diffuses the fuel and the oxidant to the catalyst layer, thereby serving to easily access the fuel and the oxidant to the catalyst layer. A conductive substrate is used as the electrode substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film or polymer composed of metal cloth in a fibrous state). The metal film formed on the surface of the fabric formed of fibers (referred to as metalized polymer fiber) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene), 플루오로에틸렌 폴리머 등이 사용될 수 있다. In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material because it can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. As the fluorine-based resin, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene, fluoroethylene polymer, or the like may be used.

또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 전극 기재위에 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. 상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 도포하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, a microporous layer may be further included on the electrode substrate to enhance the diffusion effect of the reactants on the electrode substrate. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring. The microporous layer is prepared by applying a composition containing a conductive powder, a binder resin and a solvent to the electrode substrate. As the binder resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, and the like may be preferably used. The solvent may be ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, or the like. Alcohol, water, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like can be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or a coating method using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

상기 고분자 전해질 막은 앞서 설명한 바와 동일하다.The polymer electrolyte membrane is the same as described above.

상기와 같은 구조를 갖는 막-전극 어셈블리는 인산형, 고분자 전해질형 및 직접 산화형 연료 전지 시스템 모두에 채용될 수 있다.The membrane-electrode assembly having such a structure can be employed in both phosphoric acid type, polymer electrolyte type and direct oxidation type fuel cell systems.

본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리는 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다. The present invention also provides a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly.

본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.The fuel cell system of the present invention includes at least one electricity generating portion, a fuel supply portion and an oxidant supply portion.

상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)을 포함한다. 상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 이 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 캐소드 및 애노드 전극을 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating portion includes a membrane-electrode assembly and a separator (also called bipolar plate). The membrane-electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane and cathode and anode electrodes existing on both sides of the polymer electrolyte membrane. The electricity generation unit serves to generate electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant.

상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant such as oxygen or air to the electricity generation unit.

본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.In the present invention, the fuel may include hydrogen or hydrocarbon fuel in gas or liquid state. Representative examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.A schematic structure of the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. 2, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 2 shows a system for supplying fuel and oxidant to an electric generator using a pump, the fuel cell system of the present invention is not limited to such a structure, and a fuel cell using a diffusion method without using a pump is shown. Of course, it can also be used for system architecture.

본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(7)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 1 of the present invention includes at least one electricity generation unit 3 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, a fuel supply unit 5 for supplying the fuel, And an oxidant supply unit 7 for supplying an oxidant to the electricity generation unit 3.

또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기 능을 하게 된다.In addition, the fuel supply unit 5 for supplying the fuel may include a fuel tank 9 storing fuel and a fuel pump 11 connected to the fuel tank 9. The fuel pump 11 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 9 by a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.The oxidant supply unit 7 for supplying the oxidant to the electricity generating unit 3 includes at least one oxidant pump 13 for sucking the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(19,19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(3)이 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다. The electricity generator 3 is composed of a membrane-electrode assembly 17 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant, and a separator 19 and 19 'for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly. At least one of these electricity generating units 3 constitutes a stack 15.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명은 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(Aldrich, MW=742) 경화형 올리고머 80중량%와 몬모릴로나이트에 지지된 인텅스텐산의 무기 첨가제 5중량%를 디메틸포름아마이트 10중량%에 용해시킨 후, 상온에서 6시간 동안 기계적으로 교반하였다. 이후 클로로벤조페논 5중량%를 더 첨가하고 5분 동안 더 교반하여 가교 결합 고분자층 형성용 조성물을 제조하였다. After dissolving 80% by weight of polyethylene glycol diacrylate (Aldrich, MW = 742) curable oligomer and 5% by weight of an inorganic additive of phosphotungstic acid supported by montmorillonite in 10% by weight of dimethylformamide, mechanical Stirred. Then 5 wt% of chlorobenzophenone was further added and stirred for 5 minutes to prepare a composition for forming a crosslinked polymer layer.

상업용 Nafion 115막(125㎛)을 각각 100℃의 3% 과산화수소, 0.5M 황산수용액에서 1시간 처리한 후, 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하여 준비한 고분자 전해질 막 기재의 일면에, 상기 제조된 가교 결합 고분자층 형성용 조성물을 도포하고 1kV의 자외선을 조사하여 5㎛ 두께의 가교 결합 고분자층을 형성하여 고분자 전해질 막을 제조하였다.On the one side of the polymer electrolyte membrane substrate prepared by treating a commercial Nafion 115 membrane (125 μm) with 100% of 3% hydrogen peroxide and 0.5 M sulfuric acid solution for 1 hour and then washing with 100 ° C. deionized water for 1 hour. The cross-linked polymer layer-forming composition was coated and irradiated with 1 kV of ultraviolet rays to form a cross-linked polymer layer having a thickness of 5 μm to prepare a polymer electrolyte membrane.

5중량% 나피온/H2O/2-프로판올 용액, 디프로필렌 글리콜 및 탈이온수를 Pt-Ru 블랙(black, 담체에 담지되지 않은 촉매를 말함, Johnson Matthey, HiSpec 6000)및 Pt 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 1000) 입자와 각각 혼합하여 촉매 슬러리를 제조한 후 테플론 필름 상에 스크린 프린팅하여 건조하여 촉매층을 형성하였다. 상기 촉매층을 앞서 제조된 고분자 전해질 막 상에 위치시킨 후 135℃에서 50 kgf/㎠의 압력으로 3분간 열압착하여 고분자 전해질 막 상에 캐소드 촉매층을 형성하였다. 상기와 동일한 방법으로 하여 고분자 전해질막의 다른 일면에 애노드 촉매층을 형성하였다. 이때 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층에서의 촉매 로딩량은 각각 4 mg/㎠이 되도록 하였다. 이어서 상기 캐소드 및 애노드 촉매층에 E-Tek사의 ELAT 전극기재(Diffusion Layer)를 위치시켜 3층 막-전극 어셈블리를 제조하였다.5 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol solution, dipropylene glycol and deionized water were added to Pt-Ru black (black, referring to unsupported catalyst, Johnson Matthey, HiSpec 6000) and Pt black (Johnson Matthey , HiSpec 1000) particles were mixed with each other to prepare a catalyst slurry, followed by screen printing on a Teflon film and drying to form a catalyst layer. The catalyst layer was positioned on the previously prepared polymer electrolyte membrane, and then thermally compressed at 135 ° C. at a pressure of 50 kgf / cm 2 for 3 minutes to form a cathode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane. An anode catalyst layer was formed on the other side of the polymer electrolyte membrane in the same manner as above. In this case, the catalyst loadings in the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer were 4 mg / cm 2, respectively. Subsequently, an ELAT electrode layer (Diffusion Layer) of E-Tek was placed on the cathode and anode catalyst layers to prepare a three-layer membrane-electrode assembly.

상기 제조된 막/전극 어셈블리를 폴리테트라플루오로에틸렌이 코팅된 유리 섬유(glass fiber) 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후, 일정 형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴라 플레이트에 삽입한 후, 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지(single cell)를 제조하였다.The prepared membrane / electrode assembly was inserted between polytetrafluoroethylene-coated glass fiber gaskets, and then inserted into two bipolar plates in which gas flow channels and cooling channels of a predetermined shape were formed. Thereafter, a single cell was manufactured by pressing between copper end plates.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

상업용 Nafion 115막(125㎛)을 각각 100℃의 3% 과산화수소, 0.5M 황산수용액에서 1시간 처리한 후, 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하여 제조한 고분자 전해질 막을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시 하여 단전지를 제조하였다.Except for using a polymer electrolyte membrane prepared by treating a commercial Nafion 115 membrane (125 μm) with 100% of 3% hydrogen peroxide and 0.5M aqueous sulfuric acid solution for 1 hour and then washing with 100 ° C deionized water for 1 hour. A single cell was prepared in the same manner as in Example 1.

상기 실시예 1 및 비교예 1에서의 고분자 전해질 막에 대하여 이온전도도, 치수 안정성 및 메탄올 투과도를 측정하였다.Ion conductivity, dimensional stability, and methanol permeability were measured for the polymer electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Example 1.

이온전도도는 BekkTech사의 전도도 측정용 셀을 사용하여 60 ℃ 및 상대습도 RH 100% 에서의 임피던스를 측정하였으며, 치수 안정성은 60 ℃에서의 고분자 전해-구획 확산 셀(compartment diffusion cell)의 중앙에 전해질 막 시료를 위치시키고 양단에 15 중량% 메탄올/탈이온수 혼합액체와 탈이온수를 각각 순환시켰을 때 전해질 막을 투과한 메탄올의 농도를 굴절율 변화로 측정하였다.The ionic conductivity was measured using BekkTech's conductivity measuring cell at an impedance of 60 ° C and a relative humidity of RH 100%, and the dimensional stability of the electrolyte membrane at the center of the polymer electrolyte-compartment diffusion cell at 60 ° C. When the sample was placed and circulated with 15% by weight methanol / deionized water mixed liquid and deionized water at both ends, the concentration of methanol that passed through the electrolyte membrane was measured as a change in refractive index.

또한 상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 단전지에 대하여 메탄올과 공기(ambient air)를 유입한 상태에서 전지 온도와 메탄올 농도에 따른 단전지의 출력 변화를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.In addition, for the unit cells according to Example 1 and Comparative Example 1, the output change of the unit cell according to the battery temperature and the methanol concentration was measured in the state in which methanol and air (ambient air) were introduced. The results are shown in Table 1 below.

고분자 전해질막의 두께(㎛)Thickness of Polymer Electrolyte Membrane (㎛) 전도도 (S/cm)Conductivity (S / cm) 면적변화율 (%)Area change rate (%) 메탄올투과도 (cm2/sec)Methanol Permeability (cm 2 / sec) 60℃에서의 출력밀도 (0.4V, mV/cm2)Power density at 60 ℃ (0.4V, mV / cm 2 ) 실시예 1Example 1 130130 0.10.1 1010 5.0X107 5.0X10 7 120120 비교예 1Comparative Example 1 125125 0.10.1 3030 2.0X106 2.0X10 6 100100

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 고분자 전해질 막과 비교예 1의 순수한 나피온막과 비교했을 때, 실시예 1의 고분자 전해질 막은 비교예 1의 순수한 나피온막과 동등한 수소 이온 전도도를 나타내었으나, 치수안정성과 메탄올에 대한 차단성 면에서는 보다 우수함을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1 above, when compared with the polymer electrolyte membrane of Example 1 and the pure Nafion membrane of Comparative Example 1, the polymer electrolyte membrane of Example 1 had a hydrogen ion conductivity equivalent to that of the pure Nafion membrane of Comparative Example 1 Although shown, it was confirmed that the superior in terms of the dimensional stability and the barrier to methanol.

또한 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 실시예 1 및 비교예 1의 단전지에 대한 출력 밀도 측정 결과, 본원 발명의 고분자 전해질 막을 포함하는 실시예 1의 단전지가 60℃ 운전시 동일 조건에서 우수한 출력 밀도를 나타냄을 확인할 수 있었다. In addition, as a result of measuring the output density of the unit cells of Example 1 and Comparative Example 1 including the polymer electrolyte membrane, the unit cell of Example 1 including the polymer electrolyte membrane of the present invention shows excellent output density under the same conditions at 60 ℃ operation Could confirm.

본 발명에 따른 고분자 전해질 막은 치수안정성, 및 연료에 대한 차단성이 우수하고, 또한 연료전지의 출력밀도를 향상시킬 수 있다.The polymer electrolyte membrane according to the present invention is excellent in dimensional stability and fuel barrier property, and can improve the power density of the fuel cell.

Claims (13)

고분자 전해질 막 기재; 및Polymer electrolyte membrane substrates; And 상기 고분자 전해질 막 기재의 적어도 일면에 형성된 가교 결합 고분자층을 포함하고,It includes a cross-linked polymer layer formed on at least one surface of the polymer electrolyte membrane substrate, 상기 가교 결합 고분자층은 The crosslinked polymer layer is 경화형 올리고머가 가교 결합하여 형성된 고분자 매트릭스; 및 A polymer matrix formed by crosslinking of a curable oligomer; And 상기 고분자 매트릭스 내에 존재하는 무기 첨가제를 포함하는 것인 Including an inorganic additive present in the polymer matrix 연료 전지용 고분자 전해질 막.Polymer electrolyte membrane for fuel cell. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 경화형 올리고머는 폴리디메틸실록산, 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,4-부탄디올디아크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 펜타에리스리톨테트라아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 디펜타에리스리톨디아크릴레이트, 솔비톨트리아크릴레이트, 비스페놀 A 디아크릴레이트 유도체, 트리메틸프로판트리아크릴레이트, 에틸렌옥사이드 부가형 트리메틸프로판트리아크릴레이트, 디펜타에리스리톨폴리아크릴레이트, 1,4-부탄디올디메타크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 펜타에리스리톨테트라메타크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디 메타크릴레이트, 디펜타에리스리톨디메타크릴레이트, 솔비톨트리메타크릴레이트, 비스페놀 A 디메타크릴레이트 유도체, 트리메틸프로판트리메타크릴레이트, 에틸렌옥사이드 부가형 트리메틸프로판트리메타크릴레이트, 디펜타에리스리톨폴리메타크릴레이트 등) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The curable oligomer is polydimethylsiloxane, polyethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, 1,4-butanediol diacrylate, 1,3-butylene glycol diacrylate, ethylene glycol diacrylate, pentaerythritol tetra Acrylate, triethylene glycol diacrylate, ethylene glycol diacrylate, dipentaerythritol diacrylate, sorbitol triacrylate, bisphenol A diacrylate derivative, trimethyl propane triacrylate, ethylene oxide addition type trimethyl propane triacrylate, Dipentaerythritol polyacrylate, 1,4-butanediol dimethacrylate, 1,3-butylene glycol dimethacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, pentaerythritol tetramethacrylate, triethylene glycol dimethacrylate Ethylene Glycol Dimethacrylate , Dipentaerythritol dimethacrylate, sorbitol trimethacrylate, bisphenol A dimethacrylate derivative, trimethylpropanetrimethacrylate, ethylene oxide addition type trimethylpropanetrimethacrylate, dipentaerythritol polymethacrylate, etc.) And a polymer electrolyte membrane for a fuel cell that is selected from the group consisting of these. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 무기 첨가제는 2 내지 1000nm의 평균 입자 크기를 갖는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The inorganic additive is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell having an average particle size of 2 to 1000nm. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 무기 첨가제는 인텅스텐산(phosphotungstic acid), 인 몰리브덴산(phosphomolibdic acid), 규소텅스텐산(silicotungstic acid), 지르코늄 하이드로겐 포스페이트, α-Zr(Oa1PCHa2OH)a(Ob1PCb2Hb4SOb5H)b·nH2O(여기에서, a1, a2, a, b1, b2, b4, b5 및 b는 동일하거나 서로 독립적으로 0 내지 14의 정수이고, n은 0 내지 50의 정수임), ν-Zr(POa1)(Ha2POa3)a(HOb1PCb2Hb3SOb4H)b·nH2O(여기에서, a1, a2, a3, a, b1, b2, b3, b4 및 b는 동일하거나 서로 독립적으로 0 내지 14의 정수이고, n은 0 내지 50의 정수임), Zr(Oa1PCa2Ha3)aYb(여기에서, a1, a2, a3, a 및 b는 동일하거나 서로 독립적으로 0 내지 14의 정수임), Zr(Oa1PCHa2OH)aYb·nH2O(여기에서, a1, a2, a 및 b는 동일하거나 서로 독립적으로 0 내지 14의 정수이고, n은 0 내지 50의 정수임), α-Zr(Oa1PCa2Ha3SOa4H)a·nH2O(여기에서, a1, a2, a3, a4 및 a는 동일하거나 서로 독립적으로 0 내지 14의 정수이고, n은 0 내지 50의 정수임), α-Zr(Oa1POH)·nH2O(여기에서, a1은 0 내지 14의 정수임), (P2O5)a(ZrO2)b(여기에서, a 및 b는 동일하거나 서로 독립적으로 0 내지 14의 정수임) 유리(glass), P2O5-ZrO2-SiO2 유리 및 이들의 양이온 교환된 헤테로 폴리산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The inorganic additive is phosphotungstic acid (phosphotungstic acid), phosphorus molybdate (phosphomolibdic acid), silicon tungstenic acid (silicotungstic acid), zirconium hydrogen phosphate, α-Zr (O a1 PCH a2 OH) a (O b1 PC b2 H b4 SO b5 H) b · nH 2 O (a here, a1, a2, a, b1 , b2, b4, b5 and b are the same or independently represent an integer of 0 to 14 to each other, n is an integer of 0 to 50) , ν-Zr (PO a1 ) (H a2 PO a3 ) a (HO b1 PC b2 H b3 SO b4 H) b · nH 2 O (where a1, a2, a3, a, b1, b2, b3, b4 And b is the same or independently of each other is an integer from 0 to 14, n is an integer from 0 to 50), Zr (O a1 PC a2 H a3 ) a Y b (where a1, a2, a3, a and b are The same or independently of each other an integer from 0 to 14), Zr (O a1 PCH a2 OH) a Y b nH 2 O (where a1, a2, a and b are the same or independently from each other an integer from 0 to 14 , n is an integer of 0 to 50), α-Zr (O a1 PC a2 H a3 SO a4 H) a · nH 2 O ( where, a1, a2, a3, a4 and a The same or independently represent an integer of 0 to 14 to each other, n is an integer of 0 to 50), (in which α-Zr (O a1 POH) · nH 2 O, a1 is an integer of 0-14), (P 2 O 5 ) a (ZrO 2 ) b (where a and b are the same or independently of each other an integer from 0 to 14) glass, P 2 O 5 -ZrO 2 -SiO 2 glass and their cation exchanged hetero At least one polymer electrolyte membrane for fuel cells selected from the group consisting of polyacids. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 무기 첨가제는 무기 첨가제는 무기 담체에 담지된 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The inorganic additive is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, the inorganic additive is supported on an inorganic carrier. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 무기 담체는 실리카, 클레이, 알루미나, 마이카 및 제올라이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The inorganic carrier is at least one polymer electrolyte membrane for a fuel cell selected from the group consisting of silica, clay, alumina, mica and zeolite. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 무기 첨가제는 가교 결합 고분자층 총 중량에 대하여 1 내지 15중량%로 포함되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The inorganic additive is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell that is contained in 1 to 15% by weight based on the total weight of the crosslinked polymer layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 가교 결합 고분자층은 1 내지 10㎛의 두께를 갖는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The crosslinked polymer layer is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell having a thickness of 1 to 10㎛. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막 기재는 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 포함하는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.The polymer electrolyte membrane substrate is a fuel cell polymer electrolyte membrane comprising a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof. 경화형 올리고머, 무기 첨가제, 반응 개시제 및 용매를 포함하는 가교 결합 고분자층 형성용 조성물을 제조하고, Preparing a composition for forming a crosslinked polymer layer comprising a curable oligomer, an inorganic additive, a reaction initiator, and a solvent, 상기 가교 결합 고분자층 형성용 조성물을 고분자 전해질 막 기재의 적어도 일면에 도포하고, Applying the composition for forming a crosslinked polymer layer to at least one surface of a polymer electrolyte membrane substrate, 상기 도포된 가교 결합 고분자층 형성용 조성물에 대하여 자외선 또는 전자빔을 조사하여 가교 결합 고분자층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질 막의 제조방법.Method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising the step of forming a cross-linked polymer layer by irradiating the applied composition for forming a cross-linked polymer layer with ultraviolet light or electron beam. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 가교 결합 고분자층 형성용 조성물은 조성물 총 중량에 대하여 경화형 올리고머 65 내지 90 중량%, 무기 첨가제 1 내지 15 중량%, 반응 개시제 2 내지 10중량% 및 잔부의 용매를 포함하는 것인 연료전지용 고분자 전해질 막의 제조방법.The crosslinked polymer layer-forming composition includes a fuel cell polymer electrolyte comprising 65 to 90 wt% of a curable oligomer, 1 to 15 wt% of an inorganic additive, 2 to 10 wt% of a reaction initiator, and the remainder of the solvent based on the total weight of the composition. Method of preparing the membrane. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 반응 개시제는 벤조인류, 벤조인 알킬 에테르류, 아세토페논류, 아미노아세토페논류, 안트라퀴논류, 티오크산톤류, 케탈류, 벤조페논류, 크산톤류, 트리아진류, 이미다졸류, 포스핀옥사이드류 및 퍼옥사이드류로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것인 연료전지용 고분자 전해질 막의 제조방법.The reaction initiators are benzoin, benzoin alkyl ethers, acetophenones, aminoacetophenones, anthraquinones, thioxanthones, ketals, benzophenones, xanthones, triazines, imidazoles, phosphines Method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell which is at least one selected from the group consisting of oxides and peroxides. 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하며, 상기 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 고분자 전해질 막The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 9, which is located between the anode electrode and the cathode electrode. 을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리.Membrane-electrode assembly for fuel cell comprising a.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100969011B1 (en) * 2008-02-20 2010-07-09 현대자동차주식회사 High Temperature Blended Polymer Electrolyte Membrane and Method of Preparing the Same
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KR20200063540A (en) * 2018-11-28 2020-06-05 한국생산기술연구원 Ion-exchange membrane for redox flow battery, method of preparing same, and redox flow battery comprising same

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