KR20080013533A - Method of preparing polymer membrane for fuel cell - Google Patents

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KR20080013533A KR1020060075171A KR20060075171A KR20080013533A KR 20080013533 A KR20080013533 A KR 20080013533A KR 1020060075171 A KR1020060075171 A KR 1020060075171A KR 20060075171 A KR20060075171 A KR 20060075171A KR 20080013533 A KR20080013533 A KR 20080013533A
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Abstract

A method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell is provided to accomplish uniform dispersion of inorganic additives in a polymer electrolyte membrane, thereby preventing methanol crossover and improving the quality of a fuel cell. A method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprises: a step(S1) of providing a composition for forming a polymer electrolyte membrane comprising a cation exchange resin, inorganic additives and an organic solvent; a step(S2) of evaporating the organic solvent in the composition to provide a highly concentrated composition for forming a polymer electrolyte membrane; a step(S3) of applying the highly concentrated composition onto a substrate to form a polymer electrolyte layer; and a step(S4) of separating the polymer electrolyte layer from the substrate to provide a polymer electrolyte membrane.

Description

연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법{METHOD OF PREPARING POLYMER MEMBRANE FOR FUEL CELL}Manufacturing method of polymer electrolyte membrane for fuel cell {METHOD OF PREPARING POLYMER MEMBRANE FOR FUEL CELL}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정도.1 is a process diagram schematically showing a method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면.2 schematically illustrates a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.3 is a view schematically showing the structure of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 전해질 막 내 무기 첨가물을 고르게 분산시켜 고분자 전해질 막을 통한 연료의 크로스 오버를 방지할 수 있으며, 결과 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, and more particularly, it is possible to evenly disperse the inorganic additives in the polymer electrolyte membrane to prevent crossover of fuel through the polymer electrolyte membrane, thereby improving the performance of the fuel cell The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

[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. 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.

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. 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 메탄올형 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 the 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)(또 는 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 a fuel cell system, the stack that substantially generates electricity is comprised of a number of unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a stacked structure of several tens. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called a “fuel electrode” or an “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 고분자 전해질 막을 통한 연료의 크로스 오버를 방지할 수 있으며, 결과 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell which can prevent crossover of fuel through the polymer electrolyte membrane and can improve the performance of the resulting fuel cell.

본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법에 의해 제조된 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell membrane-electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane prepared by the above method.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법에 의해 제조된 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system including a polymer electrolyte membrane prepared by the above method.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양이온 교환 수지, 무기 첨가물 및 유기 용매를 포함하는 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조한 후, 상기 제조된 고분자 전해질 막 형성용 조성물내 유기 용매를 증발시켜 고농도의 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조하고, 상기 고농도 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 기판에 도포하여 고분자 전해질 층을 형성하고, 상기 고분자 전해질 층을 상기 기판으로부터 분리하여 고분자 전해질 막을 제조하는 단계를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is to prepare a composition for forming a polymer electrolyte membrane comprising a cation exchange resin, an inorganic additive and an organic solvent, and then by evaporating the organic solvent in the prepared composition for forming a polymer electrolyte membrane of high concentration Preparing a polymer electrolyte membrane-forming composition, applying the high concentration polymer electrolyte membrane-forming composition to a substrate to form a polymer electrolyte layer, and separating the polymer electrolyte layer from the substrate to produce a polymer electrolyte membrane. A method for producing a polymer electrolyte membrane for batteries is provided.

본 발명은 또한 상기 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell membrane-electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane for a fuel cell prepared by the above method.

본 발명은 또한 상기 제조방법을 의해 제조된 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지용 시스템을 제공한다.The present invention also provides a system for a fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane produced by the above production method.

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

연료 전지의 고분자 전해질 막은 애노드 전극 및 캐소드 전극을 전기적으로 분리하는 절연체이나, 전지 작동 중에 애노드 전극으로부터 캐소드 전극으로 수소 이온을 전달하는 매개체로 작용하며, 막-전극 어셈블리로 공급되는 산화제 또는 연료를 분리하는 역할을 동시에 수행한다. The polymer electrolyte membrane of a fuel cell serves as an insulator that electrically separates the anode electrode and the cathode electrode, or acts as a medium for transferring hydrogen ions from the anode electrode to the cathode electrode during cell operation, and separates the oxidant or fuel supplied to the membrane-electrode assembly. Play a role at the same time.

그러나, 연료전지의 작동중 애노드 전극으로 공급된 연료가 고분자 전해질 막을 통해 캐소드 전극 측으로 이동하는 경우가 발생하고, 결과 연료전지의 전지 특성이 저하되는 문제가 있다. However, there is a problem in that the fuel supplied to the anode electrode moves to the cathode electrode side through the polymer electrolyte membrane during operation of the fuel cell, and as a result, the battery characteristics of the fuel cell are deteriorated.

이와 같은 연료의 크로스 오버를 방지하기 위하여 판상의 무기 첨가물을 첨 가하여 고분자 전해질 막을 제조하는 방법이 사용되고 있다. 이와 같이 하여 제조된 고분자 전해질 막은 층간구조(layered structure)의 무기 첨가물이 양이온 교환 수지 사슬의 침투에 의해 나노상으로 박리(delamination)되어 있어 연료가 이 고분자 전해질 막을 통과하는 경우 전달 경로를 길게 만들어주어, 즉 연료 차단 역할을 하게 된다.In order to prevent such fuel crossover, a method of preparing a polymer electrolyte membrane by adding a plate-like inorganic additive is used. The polymer electrolyte membrane thus prepared has a delamination of the inorganic additives of the layered structure into the nano phase due to the penetration of the cation exchange resin chain, which makes the delivery path long when the fuel passes through the polymer electrolyte membrane. In other words, it serves as a fuel shutoff.

그러나 무기 첨가물을 사용하는 경우, 판상 구조의 무기 첨가물에 양이온 교환 수지를 삽입시키기 위해서는 과량의 유기 용매가 사용되어야 하는 문제가 있다. 또한 제막시 사용된 과량의 유기 용매를 증발시키기 위하여 일반적으로 용매 캐스팅법(solvent casting)을 사용되고 있는데, 캐스팅 과정중 무기 첨가물이 아래쪽에 치중되거나 뭉치는 등의 불균일한 분산이 생기기 쉽고 이에 따라 연료전지의 전지 특성이 저하되는 문제가 있다. However, when using an inorganic additive, there is a problem that an excess of an organic solvent must be used in order to insert the cation exchange resin into the plate-shaped inorganic additive. In addition, solvent casting is generally used to evaporate the excess organic solvent used in the filmmaking process. In the casting process, non-uniform dispersion such as weighting or agglomeration of inorganic additives is likely to occur. There exists a problem that the battery characteristic of this is reduced.

이에 대하여, 본 발명에서는 상기 무기 첨가물을 포함하는 고분자 전해질 막 형성용 조성물의 코팅전 상기 조성물내에 포함된 유기 용매를 증발시켜 고농도로 하여 사용함으로써, 고분자 전해질 막내 무기 첨가물을 균일하게 분산시킬 수 있다. 또한 제조된 고분자 전해질 막은 고분자 전해질 막을 통한 연료의 크로스 오버를 방지할 수 있으며, 결과 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.In contrast, in the present invention, the inorganic additive in the polymer electrolyte membrane can be uniformly dispersed by using the organic solvent contained in the composition at a high concentration before the coating of the composition for forming the polymer electrolyte membrane including the inorganic additive. In addition, the prepared polymer electrolyte membrane can prevent the crossover of fuel through the polymer electrolyte membrane, and as a result can improve the performance of the fuel cell.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 제조방법을 간략하게 나타낸 공정도이다.1 is a process diagram briefly showing a method of manufacturing a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질 막의 제조 방법은 양이온 교환 수지, 무기 첨가물 및 유기 용매를 포함하는 고분자 전해 질 막 형성용 조성물을 제조하는 단계(S1), 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물내 유기 용매를 증발시켜 고농도의 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조하는 단계(S2), 상기 고농도 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 기판에 도포하여 고분자 전해질 층을 형성하는 단계(S3) 및 상기 고분자 전해질 층을 상기 기판으로부터 분리하여 고분자 전해질 막을 제조하는 단계(S4)를 포함한다.Referring to Figure 1, the method for producing a polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention to prepare a composition for forming a polymer electrolyte membrane including a cation exchange resin, an inorganic additive and an organic solvent (S1), Evaporating an organic solvent in the polymer electrolyte membrane-forming composition to prepare a composition for forming a polymer electrolyte membrane in a high concentration (S2), and applying a composition for forming the polymer electrolyte membrane in a high concentration to form a polymer electrolyte layer (S3) And separating the polymer electrolyte layer from the substrate to prepare a polymer electrolyte membrane (S4).

보다 상세하게는, 먼저 양이온 교환 수지, 무기 첨가물 및 유기 용매를 포함하는 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조한다(S1).More specifically, first, a composition for forming a polymer electrolyte membrane including a cation exchange resin, an inorganic additive, and an organic solvent is prepared (S1).

상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물은 양이온 교환 수지를 유기 용매에 용해시킨 후, 무기 첨가물을 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다. 이와 같이 방법에 의해 양이온 교환 수지 사슬이 무기 첨가물의 층간에 보다 용이하게 침투하여 무기 첨가물의 층들이 나노 크기의 판상으로 박리되게 된다.The polymer electrolyte membrane-forming composition is preferably prepared by dissolving a cation exchange resin in an organic solvent and then mixing an inorganic additive. In this way, the cation exchange resin chain more easily penetrates between the layers of the inorganic additive so that the layers of the inorganic additive are peeled off into a nano-sized plate.

상기 양이온 교환 수지는 고분자 전해질 막에서 수소 이온을 전달하는 역할을 하는 것으로, 수소 이온 전도성을 갖는 양이온 고분자 수지는 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 cation exchange resin serves to transfer hydrogen ions in the polymer electrolyte membrane, and any cation polymer resin having hydrogen ion conductivity 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.

상기 고분자 수지의 구체적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있고, 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있다.Specific examples of the polymer resin include fluorine polymer, benzimidazole polymer, polyimide polymer, polyetherimide polymer, polyphenylene sulfide polymer, polysulfone polymer, polyether sulfone polymer, polyether ketone A hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of a polymer, a polyether-etherketone-based polymer, a polyphenylquinoxaline-based polymer, a copolymer thereof, and a mixture thereof may be used, and preferably poly (perfluorosulfonic acid) , Poly (perfluorocarboxylic acid), copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid group, defluorinated sulfide polyether ketone, aryl ketone, poly (2,2'-m-phenylene ) -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole), copolymers thereof and these Into a mixture of Hydrogen ion conductive polymers selected from the group consisting of can be used.

상기 유기 용매로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸 아세트아미드(DMA), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸 설폭사이드(DMSO), 아세톤, 메틸에틸케톤(MEK), 테트라메틸우레아, 트리메틸포스페이트, 부티로락톤, 이소포론, 카르비톨 아세테이트, 메틸이소부틸케톤, N-부틸 아세테이트, 사이클로헥사논, 디아세톤 알코올, 디이소부틸 케톤, 에틸아세토아세테이트, 글리콜 에테르, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.The organic solvent is N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethyl acetamide (DMA), tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, methylethyl Ketone (MEK), tetramethylurea, trimethylphosphate, butyrolactone, isophorone, carbitol acetate, methylisobutyl ketone, N-butyl acetate, cyclohexanone, diacetone alcohol, diisobutyl ketone, ethyl acetoacetate, Any one selected from the group consisting of glycol ethers, propylene carbonates, ethylene carbonates, dimethyl carbonates, diethyl carbonates, and mixtures thereof can be used.

상기 양이온 교환 수지는 유기 용매 100중량부에 대하여 1 내지 10중량부를 용해하여 제조하는 것이 바람직하다. 상기 양이온 교환 수지를 1중량부 미만으로 사용하는 경우에는 양이온 교환 수지가 무기 첨가물 층간에 삽입되기는 용이하나 건조 공정이 길어지고 점성의 저하로 고분자 전해질 막의 제막이 어렵고, 10중량부를 초과하여 사용하면 무기 첨가물 층간 삽입 공정이 길어지므로 바람직하지 않다.The cation exchange resin is preferably prepared by dissolving 1 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of an organic solvent. In the case where the cation exchange resin is used in an amount less than 1 part by weight, the cation exchange resin is easily inserted between the inorganic additive layers, but the drying process is long and the viscosity decreases, making the polymer electrolyte membrane difficult to form. It is not preferable because the additive intercalation process becomes long.

상기 용해 공정은 80 내지 150℃에서, 보다 바람직하게는 100 내지 120℃에 서 교반하여 실시한다. 상기 온도 범위에서는 양이온 교환 수지가 충분히 용해될 수 있어 이후 무기 첨가물의 혼합시 무기 첨가물 내로의 침투 효과가 높아진다. The dissolution step is carried out by stirring at 80 to 150 ° C, more preferably at 100 to 120 ° C. In the above temperature range, the cation exchange resin may be sufficiently dissolved, thereby increasing the penetration effect into the inorganic additive when mixing the inorganic additive.

상기 무기 첨가물은 고분자 전해질 막의 기계적 강도를 증가시키고, 연료의 크로스오버를 감소시키는 역할을 한다.The inorganic additive increases the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane and serves to reduce fuel crossover.

상기 무기 첨가물로는 실리카(퓸드 실리카(fumed silica)를 들 수 있으며, 상품명으로 Aerosil, Cab-O-sil 등이 있음), 알루미나, 마이카, 제올라이트(상품명으로 SAPO-5, XSM-5, AIPO-5, VPI-5, MCM-41 등이 있음), 바륨티타네이트, 세라믹, 무기 실리케이트, 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)·H2O(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 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 무기 실리케이트를 사용할 수 있다.Examples of the inorganic additives include silica (fumed silica), and trade names include Aerosil, Cab-O-sil, etc., alumina, mica, and zeolite (trade names SAPO-5, XSM-5, AIPO- 5, VPI-5, MCM-41, etc.), barium titanate, ceramic, inorganic silicate, zirconium hydrogen phosphate, α-Zr (O a1 PCH a2 OH) a (O b1 PC b2 H b4 SO b5 H) b · nH 2 O (where, 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 are the same or Independently of each other, 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 of from 0 to 14), Zr (O a1 PCH a2 OH) a Y b · nH 2 O ( where, a1, a2, a and b are same or Are independently from 0 to 14, an integer to each other, 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 is the same or independently of each other is an integer from 0 to 14, n is an integer from 0 to 50), α-Zr (O a1 POH) H 2 O (where a1 is an integer from 0 to 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 Preference is given to using those selected from the group consisting of glass, and mixtures thereof, more preferably inorganic silicates.

상기 무기 실리케이트로는 판상 층간구조(layered structure)를 갖는 피로필라이트-탈크(pyrophylite-talc), 몬트모릴로나이트(montmorillonite:MMT), 플루오르헥토라이트(fluorohectorite), 카올리나이트(kaolinite), 버미큘리트(vermiculite), 일라이트(illite), 마이카(mica), 또는 브리틀 마이카(brittle mica)가 바람직하다. 이와 같은 무기 실리케이트는 상기 양이온 교환 수지 내에 나노상으로 분산되고, 분산된 이 무기 실리케이트 판상에 고분자 사슬이 침투(intercalation)되어 용이하게 박리(delamination)될 수 있기 때문이다.The inorganic silicates include pyrophylite-talc, montmorillonite (MMT), fluorohectorite, kaolinite, vermiculite having a plated layered structure. Vermiculite, illite, mica, or brittle mica are preferred. This is because such inorganic silicates are dispersed in the cation exchange resin in the nano phase, and polymer chains can be easily intercalated on the dispersed inorganic silicate plate to easily delamination.

또한 상기 무기 첨가물 특히, 무기 실리케이트는 유기화제로 처리하여 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 유기화제로 처리하는 경우, 강력한 반데르발스(Van der Waals) 인력으로 인하여 고분자 수지에 박리 및 분산되기 어려운 판상 무기 실리케이트 층 구조 사이에 저분자량의 유기화제가 삽입되어, 고분자 수지 침투가 용이해져 박리, 분산이 용이해지므로 바람직하다. In addition, the inorganic additive, in particular, the inorganic silicate is preferably used by treating with an organic agent. In the case of treatment with the organic agent, a low molecular weight organic agent is inserted between the plate-shaped inorganic silicate layer structure that is difficult to peel and disperse in the polymer resin due to the strong van der Waals attraction force, so that the polymer resin penetrates easily. It becomes preferable because it becomes easy to peel and disperse | distribute.

상기 유기화제로는 탄소수 1 내지 20의 알킬아민, 탄소수 1 내지 20의 알킬렌 디아민, 탄소수 1 내지 20의 4차 암모늄염, 아미노헥산 또는 질소 함유 헤테로 고리 화합물을 사용할 수 있다. 상기 알킬아민의 구체적인 예를 들면 염산 메틸아민(methylamine hydrochloride), 프로필 아민, 부틸 아민, 옥틸 아민, 데실 아민, 도데실 아민, 헥사데실 아민, 옥타데실 아민, 또는 N-메틸 옥타데실 아민 등이 있다. 상기 알킬렌 디아민의 예로서는 1,6-헥사메틸렌 디아민, 또는 1,12-도데칸 디아민 등이 있다. 또한 상기 4차 암모늄염으로는 디메틸 4차 암모늄, 벤질 4차 암모늄, 2-에틸헥실 4차 암모늄, 비스-2-하이드록시에틸 4차 암모늄, 메틸 4차 암모늄, 염화 테트라메틸암모늄, 브롬화 옥타데실 트리메틸 암모늄, 브롬화 도데실트리메틸 암모늄, 브롬화 디옥타데실 디메틸 암모늄, 또는 염화 비스(2-히드록시에틸) 메틸 옥타데실 암모늄 등을 사용할 수 있다. 상기 아미노헥산으로는 6-아미노헥산, 또는 12-아미노헥산 등을 사용할 수 있고, 상기 질소 함유 헤테로 고리 화합물로는 염화 1-헥사데실피리듐 등을 사용할 수 있다. As the organic agent, an alkylamine having 1 to 20 carbon atoms, an alkylene diamine having 1 to 20 carbon atoms, a quaternary ammonium salt having 1 to 20 carbon atoms, aminohexane, or a nitrogen-containing heterocyclic compound may be used. Specific examples of the alkylamine include methylamine hydrochloride, propyl amine, butyl amine, octyl amine, decyl amine, dodecyl amine, hexadecyl amine, octadecyl amine, or N-methyl octadecyl amine. . Examples of the alkylene diamine include 1,6-hexamethylene diamine, 1,12-dodecane diamine, and the like. The quaternary ammonium salts include dimethyl quaternary ammonium, benzyl quaternary ammonium, 2-ethylhexyl quaternary ammonium, bis-2-hydroxyethyl quaternary ammonium, methyl quaternary ammonium, tetramethylammonium chloride and octadecyl trimethyl bromide. Ammonium, dodecyltrimethyl ammonium bromide, dioctadecyl dimethyl ammonium bromide, bis (2-hydroxyethyl) methyl octadecyl ammonium chloride, and the like can be used. As the aminohexane, 6-aminohexane, 12-aminohexane, or the like can be used. As the nitrogen-containing heterocyclic compound, 1-hexadecylpyridium chloride or the like can be used.

상기와 같이 무기첨가물, 특히 무기 실리케이트를 유기화제로 처리하여 사용할 수도 있지만, 이미 유기화처리된 무기 실리케이트를 직접 사용할 수도 있다. 이처럼 유기화 처리된 무기 실리케이트의 예로서는 Southern사의 상품명으로서Cloisite6A, Cloisite10A, Cloisite15A, Cloisite20A, Cloisite25A, Cloisite30B 등이 있으며 Cloisite10A를 사용하는 것이 바람직하다.As described above, the inorganic additive, in particular the inorganic silicate, may be used by treating with an organic agent, but the inorganic silicate which has already been organicized may be directly used. Examples of the organic silicate treated as such are Southern trade names Cloisite6A, Cloisite10A, Cloisite15A, Cloisite20A, Cloisite25A, Cloisite30B and the like, and it is preferable to use Cloisite10A.

상기 무기 첨가물은 무기 첨가물을 고상 그대로 사용할 수도 있고, 유기 용매에 분산시켜 무기 첨가물 액을 제조하여 사용할 수도 있다. 본 명세서에서 무기 첨가물 액이란, 무기 첨가물과 유기 용매의 서스펜션(suspension) 상태, 분산 상태(dispersion) 상태 등 무기 첨가물이 액상의 유기 용매에 첨가되어 있기만 하면 그 상태에 한정되지 않음을 의미한다.The said inorganic additive may use an inorganic additive as it is, or may disperse | distribute in an organic solvent, and may prepare and use an inorganic additive liquid. In the present specification, the inorganic additive liquid means that the inorganic additive liquid is not limited to the state as long as the inorganic additive such as suspension state and dispersion state of the inorganic additive and the organic solvent is added to the liquid organic solvent.

무기 첨가물을 액 상태로 사용하는 경우, 무기 첨가물을 유기 용매에 첨가하 여 무기 첨가물 액을 제조한다. 이때 사용가능한 유기 용매로는 1-프로판올, 2-프로판올 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.When the inorganic additive is used in the liquid state, the inorganic additive liquid is prepared by adding the inorganic additive to the organic solvent. In this case, 1-propanol, 2-propanol or a mixture thereof may be used as the organic solvent.

상기 무기 첨가물은 양이온 교환 수지 100중량부에 대하여 0.5 내지 10중량부, 보다 바람직하게는 1 내지 5중량부로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 무기 첨가물의 양이 0.5중량부 미만인 경우에는 분산의 정도가 적어 탄화수소 연료 투과 정도가 높아지기 때문에 바람직하지 않으며, 10중량부를 초과하는 때에는 과량의 무기 첨가물이 제조된 고분자 전해질 막에서 양이온 교환 수지 내에 분산되며, 판상의 무기 첨가물이 박리되지 못하여 기계적 강도가 저하되는 문제점이 있기 때문에 바람직하지 않다.The inorganic additive is preferably added in an amount of 0.5 to 10 parts by weight, more preferably 1 to 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the cation exchange resin. When the amount of the inorganic additive is less than 0.5 parts by weight, it is not preferable because the degree of dispersion is small and the degree of permeation of hydrocarbon fuel is increased. When the amount of the inorganic additive is more than 10 parts by weight, the amount of the inorganic additive is dispersed in the cation exchange resin in the prepared polymer electrolyte membrane. It is not preferable because there is a problem that the plate-like inorganic additive is not peeled off and the mechanical strength is lowered.

이후 제조된 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 기계 혼합 또는 초음파 혼합의 방법에 의해 균일하게 혼합할 수도 있다.Thereafter, the prepared polymer electrolyte membrane-forming composition may be uniformly mixed by mechanical mixing or ultrasonic mixing.

상기 제조된 고분자 전해질 막 형성용 조성물내 유기 용매를 증발시켜 고농도의 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조한다(S2).By evaporating the organic solvent in the prepared polymer electrolyte membrane-forming composition to prepare a high concentration polymer electrolyte membrane-forming composition (S2).

상기 유기 용매의 증발 공정은 열처리하여 실시할 수도 있고, 진공하에서 실시할 수도 있다. 바람직하게는 진공하에서 실시하는 것이 좋다.The evaporation step of the organic solvent may be carried out by heat treatment or may be carried out under vacuum. It is preferable to carry out under vacuum.

상기 유기 용매의 증발 처리는 증발 처리후 조성물이 조성물 총 중량에 대하여 용질의 함량이 25 내지 45중량%, 보다 바람직하게는 30 내지 40중량%가 되도록 실시하는 것이 바람직하다. 용질의 함량이 25중량%보다 낮으면 점도가 낮아지고 흐름성이 증가하여 이후 고분자 전해질 층 형성을 위한 도포시 도포 공정에 어려움이 있어 바람직하지 않고, 40중량%를 초과하면 점도가 지나치게 증가하여 이후 고 분자 전해질 층 형성을 위한 도포시 도포 공정이 용이하지 않아 바람직하지 않다. 이에 따라 증발 처리시 진공 조건은 상기와 같은 함량 범위내로 용질을 포함하도록 진공 압력 및 온도를 적절히 조절하는 것이 바람직하다.The evaporation treatment of the organic solvent is preferably carried out so that the composition after the evaporation treatment has a solute content of 25 to 45% by weight, more preferably 30 to 40% by weight relative to the total weight of the composition. If the content of the solute is lower than 25% by weight, the viscosity is lowered and the flowability is increased, which is not preferable because of difficulty in the coating process during application for forming the polymer electrolyte layer. The application process at the time of application for the formation of the high molecular electrolyte layer is not easy and is not preferable. Accordingly, during the evaporation treatment, it is preferable that the vacuum conditions are appropriately adjusted to the vacuum pressure and the temperature so as to include the solute within the above content range.

상기와 같은 증발 공정에 의해 고분자 전해질 막 조성물 중에 포함된 유기 용매를 증발시킨 후 용액의 농도가 용질 질량비로 30 내지 40%가 되도록 증발시켜 고농도의 고분자 전해질 막 조성물을 제조한다. After evaporating the organic solvent contained in the polymer electrolyte membrane composition by the evaporation process as described above, the concentration of the solution is evaporated to 30 to 40% by the solute mass ratio to prepare a high concentration of the polymer electrolyte membrane composition.

다음으로, 상기 고농도의 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 기판의 일면에 도포하고 건조하여 고분자 전해질 층을 형성한다(S3).Next, the high concentration polymer electrolyte membrane-forming composition is applied to one surface of a substrate and dried to form a polymer electrolyte layer (S3).

상기 기판으로는 이형필름 또는 유리 기재를 사용할 수 있으며, 형성된 고분자 전해질 막을 패턴의 뜯김없이 용이하게 분리할 수 있는 이형필름을 사용하는 것이 보다 바람직하다.As the substrate, a release film or a glass substrate may be used, and it is more preferable to use a release film which can easily separate the formed polymer electrolyte membrane without tearing the pattern.

상기 이형 필름으로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (Ethylene/ Tetrafluoroethylene(ETFE)), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 등의 불소계 수지 필름, 또는 폴리이미드(Kapton®, DuPont 사제), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리에스테르(Mylar®, DuPont 사제)등의 비불소계 고분자 필름을 사용할 수 있다.Examples of the release film include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / tetrafluoro Fluorine resin films such as ethylene (tethylene / tetrafluoroethylene (ETFE)), polyvinylidene fluoride, or polyimide (Kapton ® , manufactured by DuPont), polyethylene, polypropylene, polyethylene Non-fluorine polymer films such as terephthalate (polyethylene terephthalate) and polyester (Mylar ® , manufactured by DuPont) can be used.

상기 이형 필름의 두께는 50 내지 100㎛가 바람직하며, 이형 필름의 두께가 50㎛ 미만인 경우에는 고분자 전해질 막의 박리시 찢어지기 쉬워 장력 제어가 어렵고, 또한 100㎛ 두께면 충분하므로 그보다 두껍게 할 경우 경제적이지 않다.The thickness of the release film is preferably 50 to 100 μm, and when the thickness of the release film is less than 50 μm, it is easy to tear during peeling of the polymer electrolyte membrane, and thus it is difficult to control the tension. not.

또한 상기 이형 필름은 패턴을 가질 수 있다. 이에 따라 패턴을 갖는 고분자 전해질 막을 제조하고자 할 경우 제조된 고분자 전해질 막에 대해 추가의 패턴 형성 공정을 거칠 필요없이 전해질 막 제조와 동시에 패턴을 형성할 수 있다. 이형 필름에 형성되는 패턴은 고분자 전해질 막에 형성하고자 하는 패턴에 따라 적절한 형상으로 형성될 수 있으며, 이형 필름에의 패턴 형성 방법은 통상의 패턴 형성 방법을 사용하여 형성할 수 있다.In addition, the release film may have a pattern. Accordingly, when the polymer electrolyte membrane having a pattern is to be manufactured, the pattern may be formed simultaneously with the preparation of the electrolyte membrane without the need for undergoing an additional pattern forming process for the prepared polymer electrolyte membrane. The pattern formed on the release film may be formed in an appropriate shape according to the pattern to be formed on the polymer electrolyte membrane, and the pattern formation method on the release film may be formed using a conventional pattern formation method.

상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물의 기판으로의 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 슬롯다이(slot die)법, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 고분자 전해질 막을 균일한 두께로 도포할 수 있는 닥터 블레이드법을 사용할 수 있다.According to the viscosity of the composition, the coating process of the polymer electrolyte membrane-forming composition onto the substrate may be screen printing, spray coating, coating with a doctor blade, gravure coating, dip coating, silk screen, painting, slots. The die may be implemented by a method selected from the group consisting of a slot method, and a combination thereof, but is not limited thereto. More preferably, the doctor blade method which can apply | coat a polymer electrolyte membrane to uniform thickness can be used.

이후 도포된 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 건조하여 고분자 전해질 층을 형성한다.Thereafter, the coated polymer electrolyte membrane-forming composition is dried to form a polymer electrolyte layer.

이어서 상기 고분자 전해질 층을 상기 기판으로부터 분리하여 고분자 전해질 막을 제조할 수 있다(S4).Subsequently, the polymer electrolyte layer may be separated from the substrate to prepare a polymer electrolyte membrane (S4).

상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 고분자 전해질 막은 양이온 교환 수지 내에 판상의 무기 첨가물이 고르게 분산되어, 고분자 전해질 막의 기계적 물성을 현저하게 증가시키는 한편, 액상 또는 기상의 연료가 고분자 전해질 막을 통과할 때 전달 경로를 길게 만들어 주어, 연료의 투과를 현저히 감소시킬 수 있다.The polymer electrolyte membrane prepared by the above-described manufacturing method has a plate-shaped inorganic additive evenly dispersed in the cation exchange resin, which significantly increases the mechanical properties of the polymer electrolyte membrane, and is delivered when liquid or gaseous fuel passes through the polymer electrolyte membrane. By lengthening the path, fuel permeation can be significantly reduced.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 고분자 전해질 막은 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 등에 사용될 수 있다. 특히 우수한 연료 투과 차단 효과를 가져 연료의 크로스오버가 문제되는 직접 산화형 연료전지에 더욱 효과적으로 사용될 수 있으며, 직접 메탄올형 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)에 가장 효과적으로 사용될 수 있다.The polymer electrolyte membrane prepared by the manufacturing method of the present invention may be used in a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a direct oxidation fuel cell (PEFCC), or the like. In particular, it has an excellent fuel permeation blocking effect can be used more effectively in a direct oxidized fuel cell that crossover of fuel is a problem, it can be used most effectively in a direct methanol fuel cell (DMFC).

상기와 같이 제조된 고분자 전해질 막은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하여 막-전극 어셈블리를 이룰 수 있다.The polymer electrolyte membrane prepared as described above may be positioned between the cathode electrode and the anode electrode to form a membrane-electrode assembly.

도 2는 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면도이다. 2 is a schematic cross-sectional view of a membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention.

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(112)는 고분자 전해질 막(10) 및 상기 고분자 전해질 막(10)의 양면에 각각 배치되는 상기 연료 전지용 전극(20, 20')을 포함한다. 상기 전극은 전극기재(40, 40')과 상기 전극기재 표면에 형성된 촉매층(30, 30')을 포함한다.Referring to FIG. 2, the membrane-electrode assembly 112 according to an embodiment of the present invention includes the polymer electrolyte membrane 10 and the fuel cell electrodes 20 and 20 disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 10, respectively. Include '). The electrode includes electrode substrates 40 and 40 'and catalyst layers 30 and 30' formed on the surface of the electrode substrate.

상기 막-전극 어셈블리(112)에서, 고분자 전해질 막(10)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 전극기 재(40)를 지나 촉매층(30)으로 전달된 연료로부터 수소이온과 전자를 생성시키는 산화반응을 일으키고, 고분자 전해질 막(10)은 상기 애노드 전극(20)에서 발생한 수소이온을 캐소드 전극(20')으로 이동시키며, 캐소드 전극(20')은 상기 고분자 전해질 막(10)을 통해 공급받은 수소이온과 전극기재(40')를 지나 촉매층(30')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원반응을 일으킨다. In the membrane-electrode assembly 112, the electrode 20 disposed on one surface of the polymer electrolyte membrane 10 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 generates an oxidation reaction that generates hydrogen ions and electrons from the fuel delivered to the catalyst layer 30 through the electrode material 40, and the polymer electrolyte membrane 10 is generated at the anode electrode 20. The hydrogen ions are moved to the cathode electrode 20 ', and the cathode electrode 20' is transferred to the catalyst layer 30 'through the hydrogen ions and the electrode base 40' supplied through the polymer electrolyte membrane 10. It causes a reduction reaction to produce water from the oxidant.

상기 전극 기재(40, 40')는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다.  The electrode substrates 40 and 40 'play a role of supporting the electrode and diffuse the fuel and the oxidant to the catalyst layer so that the fuel and the oxidant can easily access the catalyst layer.

상기 전극 기재(40, 40')로는 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 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. As the electrode substrates 40 and 40 ', conductive substrates are used, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous material composed of metal cloth in fiber state). It means that the metal film is formed on the surface of the film or the cloth formed of polymer fibers) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재(40, 40')는 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 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.The electrode substrates 40 and 40 'are preferably water-repellent treated with a fluorine-based resin because it prevents the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, and fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene or copolymers thereof can be used.

또한 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위하여 미세 기공층(microporous layer: 미도시)을 전극 기재(40, 40')위에 형성할 수도 있다. In addition, a microporous layer (not shown) may be formed on the electrode substrates 40 and 40 'to enhance the diffusion effect of the reactants in the electrode substrate.

상기 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. The microporous layer is generally a conductive powder having a small particle diameter, for example, carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nano horn (carbon nano) -horn or carbon nano ring.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로스아세테이트 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. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on 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 coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

상기 촉매층(30, 30')은 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 것으로, 촉매를 포함한다.The catalyst layers 30 and 30 'catalyze the associated reactions (oxidation of fuel and reduction of oxidant) and include a catalyst.

상기 촉매로는, 연료 전지의 반응에 참여하여 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W 및 Rh으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 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. 구체적인 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. As the catalyst, any one that can be used as a catalyst by participating in the reaction of the fuel cell may be used, and as a representative example, a platinum-based catalyst may be used. The platinum-based catalyst may be platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, At least one catalyst selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, and Rh). 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. Specific 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 / Ru One or more selected from the group consisting of / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, and Pt / Ru / Sn / W can be used.

또한 이러한 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 카본나노와이어, 카본나노볼, 또는 활성탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 또는 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.In addition, such a catalyst may be used as the catalyst itself (black), or may be used on a carrier. As the carrier, carbon-based materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball, or activated carbon may be used, and alumina, silica, zirconia, Or inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기 촉매층(30, 30')은 또한 촉매층과 고분자 전해질 막(10)과의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. The catalyst layers 30 and 30 'may further include a binder resin to improve adhesion between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane 10 and transfer hydrogen ions.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다.It is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder resin, more preferably 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 in the side chain. Any polymer resin which has can be used.

상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고 분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 것을 들 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 또는 이들의 공중합체 중에서 선택되는 1종 이상의 것을 들 수 있다.Representative examples of the polymer resin include fluorine polymer, benzimidazole polymer, polyimide polymer, polyetherimide polymer, polyphenylene sulfide polymer, polysulfone polymer, polyether sulfone polymer, polyether ketone At least one selected from the group polymer, the polyether-ether ketone polymer, or the polyphenylquinoxaline polymer, and more preferably poly (perfluorosulfonic acid) (generally sold as Nafion), poly (Perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene)- 5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole), or copolymers thereof One or more Can be.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 수소 이온 전도성 고분자의 양이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 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.It is also possible to substitute H with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in the cation exchanger of such a hydrogen ion conductive polymer. In the cation exchanger of the hydrogen-ion conductive polymer, NaOH is substituted when H is replaced with Na, and tetrabutylammonium hydroxide is substituted when replacing with tetrabutylammonium, and K, Li or Cs may be substituted with an appropriate compound. It can be substituted. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.The binder resin may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used with a nonconductive compound for the purpose of further improving adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the usage-amount so that it may be suitable for a purpose of use.

상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오 로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 공중합체(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.Examples of the non-conductive compound include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoro Ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dode At least one selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid and sorbitol is more preferred.

상기와 같은 구조를 갖는 애노드 또는 캐소드 전극(20, 20') 사이에는 고분자 전해질 막(10)이 위치한다.The polymer electrolyte membrane 10 is positioned between the anode or cathode electrodes 20 and 20 'having the above structure.

상기 고분자 전해질 막(10)은 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능하는 것으로서, 앞서 설명한 바와 동일하다.The polymer electrolyte membrane 10 functions as an ion exchange that transfers hydrogen ions generated in the catalyst layer of the anode electrode to the catalyst layer of the cathode electrode, and is the same as described above.

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

상기 연료전지 시스템은 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함한다.The fuel cell system includes at least one electricity generating unit including the membrane-electrode assembly and the separator, and includes a fuel supply unit supplying fuel to the electricity generating unit and an oxidant supply unit supplying an oxidant to the electricity generating unit.

상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리를 포함하고, 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 포함하며, 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating unit includes a membrane-electrode assembly, a separator (also called a bipolar plate), and serves to generate electricity through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an 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. 본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함한다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.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. Fuels in the present invention include hydrogen or hydrocarbon fuels 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 3에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 3에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않고, 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. 3, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 3 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 does not use a pump, but uses a fuel diffusion method. Of course, it can also be used in the battery system structure.

본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(115)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(120)와, 산화제를 상기 전기 발생부(115)로 공급하는 산화제 공급부(130)를 포함하여 구성된다. The fuel cell system 100 of the present invention includes at least one electricity generation unit 115 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, a fuel supply unit 120 for supplying the fuel, And an oxidant supply unit 130 for supplying an oxidant to the electricity generating unit 115.

또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(120)는 연료를 저장하는 연료 탱크(122), 연료 탱크(122)에 연결 설치되는 연료 펌프(124)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(124)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(122)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.In addition, the fuel supply unit 120 for supplying the fuel may include a fuel tank 122 storing fuel and a fuel pump 124 connected to the fuel tank 122. The fuel pump 124 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 122 by a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(115)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(130)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(132)를 구비한다.The oxidant supply unit 130 supplying the oxidant to the electricity generating unit 115 includes at least one oxidant pump 132 that sucks the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(115)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(112)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(114,114')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(115)가 적어도 하나 모여 스택(110)을 구성한다.The electricity generator 115 includes a membrane-electrode assembly 112 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant, and a separator 114 and 114 'for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly. At least one electricity generating unit 115 gathers to form a stack 110.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred 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)

상업적으로 시판되는 5중량% 나피온/H2O/2-프로판올(Solution TechnologyInc., EW=1,100) 용액을 상온에서 교반하며 감압 증발시켜 고체 나피온 수지를 얻었다. 얻어진 고체 나피온 수지를 디메틸아세트아마이드(Aldrich, DMAc) 100중량부에 대하여 5중량부의 양으로 첨가하고 100℃에서 24 시간동안 기계적으로 교반하여 양이온 교환 수지 액(5중량% Nafion/DMAc)을 제조하였다.A commercially available 5 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc., EW = 1,100) solution was evaporated under reduced pressure at room temperature to give a solid Nafion resin. The obtained solid Nafion resin was added in an amount of 5 parts by weight based on 100 parts by weight of dimethylacetamide (Aldrich, DMAc) and mechanically stirred at 100 ° C. for 24 hours to prepare a cation exchange resin solution (5% by weight Nafion / DMAc). It was.

상기 양이온 교환 수지 액에 유기화제로 처리된 몬트모릴로나이트(Southern Clay Product, Cloisite10A)를 상기 양이온 교환 수지 100중량부에 대하여 2중량부의 양으로 첨가한 후, 100℃에서 24시간 동안 자석 교반기로 혼합하며 초음파를 인가하여 상기 몬트모릴로나이트의 층간에 양이온 교환 수지 사슬이 침투되어 실리케이트가 박리된 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조하였다. Montmorillonite (Southern Clay Product, Cloisite 10A) treated with an organic agent was added to the cation exchange resin solution in an amount of 2 parts by weight based on 100 parts by weight of the cation exchange resin, and then a magnetic stirrer was used at 100 ° C. for 24 hours. Mixing the ultrasonic wave was applied to prepare a composition for forming a polymer electrolyte membrane in which the cation exchange resin chain penetrated between the layers of montmorillonite to remove silicates.

상기 제조된 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 진공하(진공압력: 15~20torr, 온도: 65~75℃)에서 1시간동안 처리하여 용매를 증발시켜 고농도의 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조하였다. 이때 제조된 고농도의 고분자 전해질 막 형성용 조성물내 용질의 함량은 35중량%이었다.The prepared polymer electrolyte membrane-forming composition was treated under vacuum (vacuum pressure: 15-20 torr, temperature: 65-75 ° C.) for 1 hour to evaporate the solvent to prepare a composition for forming a polymer electrolyte membrane of high concentration. At this time, the content of the solute in the prepared high concentration polymer electrolyte membrane-forming composition was 35% by weight.

상기 제조된 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 폴리테트라플루오로에틸렌 필름에 닥터 블레이드법으로 도포한 후 건조하여 고분자 전해질 층을 형성하였다. 상기 고분자 전해질 층을 폴리테트라플루오로에틸렌 필름으로부터 분리하여 고분자 전해질 막을 제조하였다.The prepared polymer electrolyte membrane-forming composition was applied to a polytetrafluoroethylene film by a doctor blade method and then dried to form a polymer electrolyte layer. The polymer electrolyte layer was separated from the polytetrafluoroethylene film to prepare a polymer electrolyte membrane.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

고분자 전해질 막 조성물에 대한 용매 증발 처리 공정을 실시하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 고분자 전해질 막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the solvent evaporation process was not performed on the polymer electrolyte membrane composition.

상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 고분자 전해질 막에 대하여 메탄올 투과도를 측정하였다.Methanol permeability was measured for the polymer electrolyte membranes prepared according to Example 1 and Comparative Example 1.

상기 메탄올 투과도는 2-구역 확산 셀(compartment diffusion cell)의 중앙에 고분자 전해질 막 시료를 위치시키고, 양단에 15 중량% 메탄올/탈이온수 혼합 액체와 탈이온수를 각각 순환시켰을 때 전해질 막을 투과한 메탄올의 농도를 굴절율 변화로 측정함으로써 평가하였다. The methanol permeability is measured by placing a polymer electrolyte membrane sample in the center of a two-zone diffusion cell and circulating 15 wt% methanol / deionized water mixed liquid and deionized water at both ends of the methanol permeated through the electrolyte membrane. The concentration was evaluated by measuring the change in refractive index.

측정결과 실시예 1의 고분자 전해질 막이 비교예 1의 동일한 두께 및 성분을 갖는 고분자 전해질 막에 비하여 우수한 메탄올 차단성을 나타내었다. 이는 비교예 1의 경우 고분자 전해질 막의 제조시 무기 첨가물이 고분자 전해질 막 아랫쪽으 로 치중되어 뭉치는 등 고분자 전해질 막내 무기 첨가물의 분산도가 균일하지 않았기 때문이다.As a result of the measurement, the polymer electrolyte membrane of Example 1 exhibited excellent methanol barrier properties compared to the polymer electrolyte membrane having the same thickness and components of Comparative Example 1. This is because, in the case of Comparative Example 1, the dispersion of the inorganic additives in the polymer electrolyte membrane was not uniform such that the inorganic additives were concentrated and aggregated under the polymer electrolyte membrane.

또한 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 고분자 전해질 막을 포함하는 단전지를 제조하고 제조된 단전지에 대하여 전지 특성을 평가하였다.In addition, a single cell including the polymer electrolyte membrane prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was prepared, and the battery characteristics of the prepared single cell were evaluated.

이소프로필알코올 3 ml 중의 Pt 블랙 (Hispec® 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙 (Hispec® 6000, Johnson Matthey사제)의 촉매 3.0g에 10wt% 나피온(Nafion®, Dupont사제) 수계 분산액 4.5 g을 적하한 후 기계적으로 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다. Aqueous dispersion of 10 wt% Nafion (Nafion ® , manufactured by Dupont) in 3.0 g of Pt black (Hispec ® 1000, manufactured by Johnson Matthey) and Pt / Ru black (Hispec ® 6000, manufactured by Johnson Matthey) in 3 ml of isopropyl alcohol 4.5 g was added dropwise, followed by mechanical stirring to prepare a composition for forming a catalyst layer.

상기 촉매층 형성용 조성물을 탄소 페이퍼 일면에 면적 5x5cm2, 두께 50mm으로 코팅하여 전극을 제조하였다. 이후, 동일한 방법으로 하여 상기 전극을 두 개 제조하고, 각각 캐소드 전극 및 애노드 전극으로 하였다.The composition for forming the catalyst layer was coated on one surface of carbon paper with an area of 5 × 5 cm 2 and a thickness of 50 mm to prepare an electrode. Thereafter, two electrodes were manufactured in the same manner, and used as a cathode electrode and an anode electrode, respectively.

상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 상기 실시예 1 또는 빅교예 1에서 제조된 고분자 전해질 막을 놓고 110℃에서 열처리하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared by placing the polymer electrolyte membrane prepared in Example 1 or Big Bridge Example 1 between the cathode electrode and the anode electrode and performing heat treatment at 110 ° C.

상기 제조된 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.The prepared membrane-electrode assembly was inserted between two gaskets, and then inserted into two separators having a predetermined gas flow channel and cooling channel, and pressed between copper end plates to prepare a unit cell. .

제조된 단전지에 대하여 1M 메탄올 용액을 애노드 연료로 사용하고, 캐소드 에 공기를 주입하여 70℃에서 전압-전류특성을 관찰하였다. For the prepared unit cell, 1M methanol solution was used as the anode fuel, and air was injected into the cathode to observe voltage-current characteristics at 70 ° C.

측정 결과, 증발 공정을 통해 고농도의 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 사용하여 제조된 실시예 1의 고분자 전해질 막을 포함하는 단전지는, 통상의 방법으로 제조된 비교예 1의 고분자 전해질 막을 포함하는 단전지에 비해 우수한 출력밀도를 나타내었다. As a result of the measurement, the unit cell including the polymer electrolyte membrane of Example 1 prepared using the composition for forming a polymer electrolyte membrane of high concentration through the evaporation process, to the unit cell comprising the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 1 prepared by a conventional method It showed a superior power density.

실시예 1의 고분자 전해질 막을 포함하는 단전지에 대해 온도 및 전압의 변화에 따른 전압-전류 특성을 평가하였다. 상기 전압-전류 특성은 0.45V 및 0.4V의 전압에서 구동 온도를 50℃, 60℃ 및 70℃로 변화시키며 각각의 출력 밀도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The voltage-current characteristics of the unit cell including the polymer electrolyte membrane of Example 1 according to the change of temperature and voltage were evaluated. The voltage-current characteristics were measured at varying driving temperatures of 50 ° C., 60 ° C., and 70 ° C. at voltages of 0.45 V and 0.4 V, respectively. The results are shown in Table 1 below.

온도  Temperature 실시예 1의 단전지의 출력밀도(mW/cm2)Output density (mW / cm 2 ) of the unit cell of Example 1 0.45V일때At 0.45V 0.4V일때At 0.4V 50℃ 50 ℃ 3535 5050 60℃ 60 ℃ 4747 6767 70℃ 70 ℃ 6161 8787

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 실시예 1의 고분자 전해질 막을 포함하는 단전지는 50℃ 내지 70 ℃의 넓은 온도범위에서 우수한 출력밀도를 나타내었다. As shown in Table 1, the single cell including the polymer electrolyte membrane of Example 1 prepared by the manufacturing method of the present invention showed an excellent power density in a wide temperature range of 50 ℃ to 70 ℃.

또한 실시예 1의 고분자 전해질 막을 포함하는 단전지에 대해 연료의 농도 변화에 따른 전압-전류 특성을 평가하였다. 상기 전압-전류 특성은 0.45V 및 0.4V의 전압에서 메탄올의 농도를 1, 3, 5 및 7M로 다양하게 변화시키며 각각의 출력 밀도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.In addition, the voltage-current characteristics of the unit cell including the polymer electrolyte membrane of Example 1 according to the fuel concentration change were evaluated. The voltage-current characteristics were measured by varying the concentrations of methanol to 1, 3, 5, and 7M at voltages of 0.45V and 0.4V, respectively, and measuring the respective output densities. The results are shown in Table 2 below.

메탄올 농도(M)Methanol concentration (M) 실시예 1의 단전지의 출력밀도(mW/cm2)Output density (mW / cm 2 ) of the unit cell of Example 1 0.45V일때At 0.45V 0.4V일때At 0.4V 1One 6161 8787 33 3838 7474

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 실시예 1의 고분자 전해질 막을 포함하는 단전지는 고농도의 메탄올을 사용할 경우에도 우수한 출력밀도를 나타내었다. As shown in Table 2, the unit cell including the polymer electrolyte membrane of Example 1 prepared by the manufacturing method of the present invention showed excellent output density even when using a high concentration of methanol.

본 발명의 고분자 전해질 막 제조방법에 의해 제조된 고분자 전해질 막은 고분자 전해질 막중에 무기 첨가물이 고르게 분산되어 있어, 고분자 전해질 막을 통한 연료의 크로스 오버를 방지할 수 있으며, 결과 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다. In the polymer electrolyte membrane prepared by the method for preparing a polymer electrolyte membrane of the present invention, inorganic additives are evenly dispersed in the polymer electrolyte membrane, thereby preventing crossover of fuel through the polymer electrolyte membrane, and thus improving the performance of the fuel cell. have.

Claims (16)

양이온 교환 수지, 무기 첨가물 및 유기 용매를 포함하는 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조하는 단계;Preparing a polymer electrolyte membrane-forming composition comprising a cation exchange resin, an inorganic additive, and an organic solvent; 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물내 유기 용매를 증발시켜 고농도의 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조하는 단계;Preparing a composition for forming a polymer electrolyte membrane having a high concentration by evaporating an organic solvent in the composition for forming a polymer electrolyte membrane; 상기 고농도의 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 기판에 도포하여 고분자 전해질 층을 형성하는 단계; 및 Forming a polymer electrolyte layer by applying the high concentration of the polymer electrolyte membrane-forming composition to a substrate; And 상기 고분자 전해질 층을 상기 기판으로부터 분리하여 고분자 전해질 막을 제조하는 단계를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법A method of manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising separating the polymer electrolyte layer from the substrate to produce a polymer electrolyte membrane. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 양이온 교환 수지는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지인 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법.Wherein said cation exchange resin is 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 in the side chain. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 양이온 교환 수지는 유기 용매 100중량부에 대하여 1 내지 10중량부로 포함되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법.The cation exchange resin is 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the organic solvent is a method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 무기 첨가물은 실리카, 알루미나, 제올라이트, 바륨티타네이트, 세라믹, 무기 실리케이트, 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)·H2O(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 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법.The inorganic additive is silica, alumina, zeolite, barium titanate, ceramics, inorganic silicate, zirconium hydrogen phosphate, α-Zr (O a1 PCH a2 OH) a (O b1 PC b2 H b4 SO b5 H) b · nH 2 O (where a1, a2, a, b1, b2, b4, b5 and b are the same or independently of each other an integer from 0 to 14, n is an integer from 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, a3, a1, b2, b3, b4 and b are the same or independently of each other 0 N is an integer from 0 to 50, 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 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 of each other an integer from 0 to 14, n is an integer from 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 are the same or Are independently an integer from 0 to 14, n is an integer from 0 to 50), α-Zr (O a1 POH) H 2 O (where a1 is an integer from 0 to 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) in the group consisting of glass, P 2 O 5 -ZrO 2 -SiO 2 glass, and mixtures thereof The method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 무기 실리케이트는 판상 층간구조(layered structure)를 갖는 피로필라 이트-탈크(pyrophylite-talc), 몬트모릴로나이트(montmorilonite:MMT), 플루오르헥토라이트(fluorohectorite), 카올리나이트 (kaolinite), 버미큘리트(vermiculit), 일라이트(illite), 마이카(mica), 브리틀 마이카(brittle mica), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법.The inorganic silicate is pyrophylite-talc, montmorilonite (MMT), fluorohectorite, kaolinite, vermiculite (plate-like layered structure) vermiculit, illite, mica, mica brittle mica, and a mixture thereof. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 무기 첨가물은 유기화제로 처리된 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법.The inorganic additive is a method of producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell that is treated with an organic agent. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 무기 첨가물은 양이온 교환 수지 100중량부에 대하여 0.5 내지 10중량부로 포함되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법.The inorganic additive is 0.5 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the cation exchange resin manufacturing method of a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 유기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸 아세트아미드(DMA), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸 설폭사이드(DMSO), 아세톤, 메틸에틸케톤(MEK), 테트라메틸우레아, 트리메틸포스페이트, 부티로락톤, 이소포론, 카르비톨 아세테이트, 메틸이소부틸케톤, N-부틸 아세테이트, 사이클로헥사논, 디아세톤 알코올, 디이소부틸 케톤, 에틸아세토아세테이트, 글리콜 에테르, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 및 이들 의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법.The organic solvent is N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethyl acetamide (DMA), tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, methyl ethyl ketone (MEK), tetramethylurea, trimethylphosphate, butyrolactone, isophorone, carbitol acetate, methylisobutylketone, N-butyl acetate, cyclohexanone, diacetone alcohol, diisobutyl ketone, ethylacetoacetate, glycol A method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, which is selected from the group consisting of ether, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and mixtures thereof. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 유기 용매의 증발 공정은 진공하에서 실시되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법.The evaporation process of the organic solvent is a method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell that is carried out under vacuum. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 기판은 유리 기재 또는 이형필름인 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법.The substrate is a method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell that is a glass substrate or a release film. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 이형 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌- 페르플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 에틸렌/테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법.The release film is a polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene- perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, ethylene / tetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, poly A method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, which is selected from the group consisting of mead, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyester, copolymers thereof, and mixtures thereof. 제10항에 있어서,  The method of claim 10, 상기 이형 필름은 패턴을 갖는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법.The release film is a method of producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell having a pattern. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물의 도포 공정은 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 슬롯다이(slot die)법, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법.The coating process of the composition for forming a polymer electrolyte membrane may include screen printing, spray coating, coating using a doctor blade, gravure coating, dip coating, silk screen, painting, slot die, and the like. A method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell which is carried out by a method selected from the group consisting of a combination of these. 제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물의 도포 공정은 닥터 블레이드를 이용한 코팅법에 의해 실시되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법.The coating step of the composition for forming a polymer electrolyte membrane is a method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell that is carried out by a coating method using a doctor blade. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따라 제조된 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리.A fuel cell membrane-electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane prepared according to any one of claims 1 to 14. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따라 제조된 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지 시스템.A fuel cell system comprising a polymer electrolyte membrane prepared according to any one of claims 1 to 14.
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