KR20090039180A - 이온전도성 복합막, 막-전극 접합체 및 연료전지 - Google Patents

이온전도성 복합막, 막-전극 접합체 및 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온전도성 복합막, 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다. 본 발명의 이온전도성 복합막은 불소계 또는 부분 불소계 고분자 수지의 파이버(fiber)를 포함하여 이루어지며, 전기방사법을 통해 형성되는 다공성 매트 및 상기 다공성 매트에 함침된 불소계 또는 부분 불소계 이온전도성 고분자 수지를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 고분자 수지의 파이버로 이루어지는 다공성 매트는 전기방사법에 의해 형성될 수 있으며, 상기 다공성 매트를 구성하는 고분자 수지로는 대표적으로 폴리플루오로비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 테트라플루오로에틸렌-코-헥사플루오로프로필렌(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene)이 사용될 수 있다. 본 발명의 이온전도성 복합막은 이온전도성이 우수하고, 두께가 얇아 옴 저항이 낮고 습도 조절이 용이하며, 우수한 기계적 강도 및 전기화학적 내구성을 나타내는 바, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
연료전지, 막-전극 접합체, 전해질막, 기체확산층, 촉매층, 케첸블랙

Description

이온전도성 복합막, 막-전극 접합체 및 연료전지{Ion conductive hybrid membrane, membrane-electrode assembly and fuel cell}
본 발명은 이온전도성 복합막, 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것으로, 막 두께가 얇고, 기계적 강도 및 전기화학적 내구성이 우수한 이온전도성 복합막과 이를 포함하여 이루어지는 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전 지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다. 이러한 고분자전해질형 연료전지는 전해질로서 액체가 아닌 고체 고분자 전해질막을 사용한다는 점에서 다른 연료전지와 차이가 있다.
현재 고분자 전해질 연료전지의 본격적 상업화에 필수적인 개선 요인은 성능의 향상, 수명의 연장, 가격의 저가화이다. 이세 가지의 개선 요인에 영향을 가장 많이 미치는 부품이 막-전극 접합체(membrane electrode assembly)이며 본 발명은 특히 막-전극 접합체의 이온 교환막의 제조에 대하여 다룬다.
이온 교환막으로 대표적인 물질은 퍼플루오로설포닉산 (perfluorosulfonic acid)이며 Dupont, 3M, Solvay-Solexis, W.L. Gore, Asahi Glass등이 불소계의 이온 교환막을 제조, 판매하고 있다. 불소계 고분자는 고분자 구조의 강한 탄소-불소(C-F) 결합력 때문에 산성 운전 조건이면서 습도(humidity), 온도의 사이클링(cycling)을 반복하는 혹독한 연료전지 운전 조건에 적합한 물질로 널리 사용되어 왔다. 그러나 연료전지의 운전 조건은 불소계 막의 주 사슬 (backbone)을 공격하게 되는데, 이 경우 불소이온이 방출되어 이온교환막이 얇아지고(thinning) 결국에는 구멍 (pinhole)이 생겨 막-전극 접합체가 수명을 다하는 문제점이 있다.
보통의 경우 막의 제조는 솔루션 캐스팅(solution casting)이나 멜트 익스트루젼(melt extrusion)과 같은 방법에 의하여 제조되는데 막의 두께를 얇게 하면 할수록 두께에 의한 옴 저항(ohmic resistance)을 줄일 수 있고 운전 중에 막의 습도 조절이 용이하여 성능 향상에 이롭다. 그러나 제조상의 어려움과 제조된 막의 취급 이 어려워 순수막을 30마이크론 이하로 제조하는 것은 상당한 도전이다. 또한, 순수막(pure polymer membrane, 복합막 (composite membrane)과 구별됨)은 연료전지 운전 조건에서 퍼옥사이드 라디칼(peroxide radical)에 의한 화학적 공격 (chemical attack)에 쉽게 노출되어 열화 (degradation)도 빠르게 진행된다.
즉, 이상적인 연료전지 막은 기본적으로 높은 이온 전도도 (>0.1-cm-1)와 함께 두께가 30 마이크론 이하로 아주 얇으면서도 막-전극 접합체 제조 공정에 필요한 충분한 기계적인 강도, 우수한 필름 형태 유지 가능성(free standing property) 및 우수한 수분에 의한 치수 안정성 (dimensional stability)의 특징을 보유하고 있어야 한다.
위와 같은 특징을 잘 나타내고 있는 이온교환막이 W.L.Gore사의 이온교환막인데, US 5,547,551은 25 마이크론 이하의 익스펜디드 다공성 PTFE 기재(expanded porous PTFE substrate)에 불소계 이온 교환 수지 용액을 침투(penetration)시켜 제조된 복합막을 개시하고 있다. Gore사의 막-전극 접합체 제품이 초기 시장에서 성공적으로 안착한 배경에는 이러한 독특한 구조의 얇은 불소계 복합막을 제조하여 성능 면에서나 내구성 측면에서 경쟁사들의 불소계 순수막을 압도하기 때문으로 분석되고 있다. 그러나 Gore사의 특허는 몇 번의 개량을 거쳐 (US RE 37,701 E; US RE37,656 E; US RE37,307 E) 그 보호막을 튼튼히 하고 있는 실정이므로 경쟁사들이 그 장점에도 불구하고 동일 기술을 실현하지 못하고 있다.
이와 유사한 복합막으로는 Asahi Glass사의 PTFE 소섬유 강화 퍼플루오로설 폰산 막(PTFE fibril reinforced perfluorosulfonic acid membrane(Flemion))이 있으며 두께는 20에서 50 마이크론으로 유지가 가능한 것으로 알려져 있다. Gore사와 Asahi사의 막은 PTFE가 기계적 강도와 화학적 내구성을 제공하고 함침된 이온 교환 수지가 수소 이온 전도의 역할을 한다는 공통점이 있으나 Asahi사는 이온교환 수지 고분자와 PTFE를 동시에 멜트 익스트루젼(melt extrusion)하여 연료전지 복합막을 제조한다는 점에서 Gore사의 특허망을 피하는 것으로 파악되고 있다.
이외에도 위와 같은 불소계 복합막의 장점을 적용하고자 하는 많은 노력들이 있는데 주로 탄화수소계 막의 제조에 응용되고 있다. 대표적으로, 다공성 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 또는 폴리이미드(PI)와 같은 마이크로포어 막(micropore membrane)에 탄화수소계 또는 불소계의 이온 교환 수지를 채워 넣어 복합막을 제조하는 기술로서, 성능 향상을 위해 막 두께를 얇게 하고, 기계적 강도를 부여하며, 전기화학적 내구성을 향상시키고자 하는 것이다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본발명의 목적은 막 두께가 얇고, 기계적 강도 및 전기화학적 내구성이 우수한 이온전도성 복합막을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 또한, 이와 같은 이온전도성 복합막의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 또한, 이와 같은 이온전도성 복합막을 포함하여 이루어지는 막-전극 접합체 및 연료전지를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명은, 불소계 또는 부분 불소계 고분자 수지의 파이버(fiber)를 포함하여 이루어지며, 전기방사법을 통해 형성되는 다공성 매트 및 상기 다공성 매트에 함침된 불소계 또는 부분 불소계 이온전도성 고분자 수지를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온전도성 복합막을 제공한다.
상기 다공성 매트를 구성하는 불소계 및 부분불소계 고분자 수지는 대표적으로 폴리플루오로비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 테트라플루오로에틸렌-코-헥사플루오로프로필렌(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene)이다.
상기 다공성 매트에 함침되는 이온전도성 고분자 수지는 대표적으로 폴리테 트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰 또는 이들의 산 또는 염기이다.
상기 다공성 매트의 기공도는 30~90%인 것이 바람직하다. 또한, 상기 다공성 매트는 용매 증기(solvent vapor)에 노출시켜 파이버의 접촉 부분들이 웰딩(welding)되도록 하는 것이 기계적 강도 향상을 위해 더욱 바람직하다.
본 발명은 또한, 전기방사법을 이용하여 불소계 또는 부분 불소계 고분자 수지의 파이버로 다공성 매트를 제조하는 단계 및 상기 다공성 매트에 불소계 또는 부분 불소계 이온전도성 고분자 수지를 함침시키는 단계를 포함하는 이온전도성 복합막의 제조방법을 제공한다.
상기 다공성 매트의 제조에 이용되는 고분자 수지로는 폴리플루오로비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 또는 테트라플루오로에틸렌-코-헥사플루오로프로필렌(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene)이 대표적이다.
상기 상기 다공성 매트에 함침되는 이온전도성 고분자 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰 또는 이들의 산 또는 염기가 대표적이다.
상기 이온전도성 복합막의 제조방법은, 상기 이온전도성 고분자 수지의 함침 전에 상기 다공성 매트를 용매 증기(solvent vapor)에 노출시켜 파이버의 접촉 부분들을 웰딩(welding)시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기 본 발명의 이온전도성 복합막 및 상기 이온전도성 복합막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 기체확산층 및 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.
상기 애노드 전극의 촉매층은 대표적으로 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-전이금속 합금과 같은 촉매를 포함하여 이루어지며, 상기 캐소드 전극의 촉매층은 대표적으로 백금 또는 백금-전이금속 합금과 같은 촉매를 포함하여 이루어진다.
상기 기체확산층은 탄소페이퍼, 탄소천 또는 탄소펠트로 이루어지는 기재를 포함하여 이루어지며, 상기 기재의 일면에 형성되는 미세기공층을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 하나 또는 둘 이상의 본 발명에 따른 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부 및 산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.
상기 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지 또는 직접액체 연료전지일 수 있다.
본 발명의 이온전도성 복합막은 이온전도성이 우수하고, 두께가 얇아 옴 저항이 낮고 습도 조절이 용이하며, 우수한 기계적 강도 및 전기화학적 내구성을 나타내는 바, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 이온전도성 복합막은 연료전지의 애노드 전극에서 발생한 수소 이온을 캐소드 전극으로 전달하기 위해 사용되는 매체로서, 다공성 매트 및 다공성 매트에 함침된 고분자 수지를 포함하여 이루어진다. 도 1은 이와 같은 본 발명의 이온전도성 복합막의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
상기 다공성 매트(101)는 불소계 또는 부분 불소계 고분자 수지의 파이버로 이루어지며, 상기 다공성 매트(101)를 구성하는 고분자 수지로는 대표적으로 폴리플루오로비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 테트라플루오로에틸렌-코-헥사플루오로프로필렌(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene)이 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 고분자 수지의 파이버로 이루어지는 다공성 매트(101)는 전기방사법을 통해 형성될 수 있는데, 전기방사법에 의하면, 20nm~5㎛ 정도의 직경을 갖는 파이버로 다공성 매트를 형성할 수 있으며, 특별히 800nm 이하의 나노 파이버로 다공성 매트를 형성할 수 있다. 이와 같은 나노 파이버의 장점은 극세 크기의 직경을 갖기 때문에 기존 섬유에 비해 큰 표면적을 갖는다는 것이다.
전기방사법에 의하면 도 2에 도시된 바와 같이 정전기력(electrostatic force)에 의해 낮은 점도 상태의 고분자(polymer)를 사용하여 순간적으로 섬유 형태로 방사하여 다공성 매트(101)를 제조할 수 있다. 전기방사법에 따르면, 충전된 고분자 제트 용액(polymer jet solution)이나 고분자 멜트(melt)를 방출한다. 고분자 용액은 고분자와 용매로 구성되며, 상기 용매로는 고분자를 용해시킬 수 있는 다양한 유기 용매가 사용될 수 있다. 대표적으로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc) 등을 예로 들 수 있다. 고분자를 용매에 용해시키지 않는 경우에는, 고온 고압에서 유체 흐름성을 갖도록 처리된 고분자 용액인 고분자 멜트를 사용할 수 있다.
고분자 제트 용액 또는 고분자 멜트의 방사 시에, 고전압을 적용하여 나노 직경의 고분자 섬유 또는 매트를 얻을 수 있다. 이렇게 형성된 다공성 매트(porous mat)는 기공도의 제어가 용이하고 또 두께도 30 마이크론 이하로 조절이 가능하다. 그러나, PTFE와 같은 고분자의 경우는 적절한 용매가 존재하지 않기 때문에 멜트 전기방사법(melt electrospinning)에 의해 나노 직경의 다공성 기재(porous substrate)를 제조한다.
다만, 전기 방사법에 의해 형성된 다공성 매트는, 방사 도중에 용매가 이미 증발하기 때문에 파이버 사이의 결합은 물리적 오버래핑(physical overlapping)이 주류를 이루어, 기계적 강도가 약하다. 따라서, 다공성 매트를 용매 증기에 노출시켜 파이버들 간의 접촉 부분을 웰딩(welding)하는 방법을 통해 기계적 강도와 치수안정성을 향상시킬 수 있다. 이때, 사용될 수 있는 용매로는 다공성 매트를 구성하 는 고분자를 용해시킬 수 있는 용매라면 제한없이 사용될 수 있으며, 대표적으로 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc) 등을 예로 들 수 있다.
나노 직경의 파이버로 얻어진 다공성 매트는 표면적이 높아 이온 교환 수지의 함침을 통한 충분한 수소 이온 전도 채널(channel)을 확보할 수 있으며 얇은 막 두께에서도 비반응성의 불소계 또는 부분불소계 나노 섬유를 통한 기계적 강도 및 내구성 확보가 가능하다.
전기방사법에 의하면 다공성 매트의 기공도 조절이 용이한데, 상기 다공성 매트의 기공도는 30~90%로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 기공도의 범위에서는 나노섬유의 다공성 구조에 의한 기계적 강도 기여가 가장 크고, 이온전도성 수지가 차지하는 면적이 충분히 확보되어 수소이온 전도 채널도 충분히 확보되므로 막의 이온 전도 저항이 더욱 감소된다.
본 발명의 이온전도성 복합막은 상기한 바와 같은 다공성 매트에 이온전도성고분자 수지를 함침시켜 제조할 수 있으며, 상기 다공성 매트에 함침되는 이온전도성 고분자 수지로는 대표적으로 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰 또는 이들의 산 또는 염기가 사용될 수 있다.
상기 제조된 다공성 매트의 두께가 10~30㎛, 상기 다공성 매트가 이온전도성 수지로 함침된 후 제조된 이온전도성 복합막의 두께가 10~40㎛인 것이 이온전도성 및 이온전도성 복합막의 기계적 물성의 측면에서 더 좋은 효과를 나타낸다.
본 발명의 막-전극접합체는 앞서 설명한 바와 같은 이온전도성 복합막을 포함하여 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 단면을 모식적으로 도시한 도 3을 참조하면, 본 발명의 막-전극 접합체는 상기 이온전도성 복합막(201); 및 상기 이온전도성 복합막(201)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극(203, 207a, 209a) 및 캐소드 전극(205, 207b, 209b);을 포함하여 이루어지며, 상기 애노드 전극(203, 207a, 209a) 및 캐소드 전극(205, 207b, 209b)은 기체확산층(207a, 207b, 209a, 209b) 및 촉매층(203, 205)을 포함하여 이루어진다.
상기 애노드 전극의 촉매층(203)은 연료의 산화 반응이 일어나는 곳으로, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있으며, 상기 캐소드 전극의 촉매층(205)은 산화제의 환원 반응이 일어나는 곳으로, 백금 또는 백금-전이금속 합금이 촉매로 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 촉매들은 그 자체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.
촉매층(203, 205)을 도입하는 과정은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행할 수 있는데, 예를 들면 촉매 잉크를 이온전도성 복합막(201)에 직접적으로 코팅하거나 기체확산층(207a, 207b, 209a, 209b)에 코팅하여 촉매층을 형성할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다. 촉매 잉크는 대표적으로 촉매, 폴리머 이오노머(polymer ionomer) 및 용매로 이루어질 수 있다.
상기 기체확산층(207a, 207b, 209a, 209b)은 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층(207a, 207b, 209a, 209b)은 도전성 기재(209a, 209b)를 포함하여 이루어지며, 도전성 기재(209a, 209b)로는 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 기체확산층(207a, 207b, 209a, 209b)은 촉매층(203, 205) 및 도전성 기재(209a, 209b) 사이에 미세기공층(207a, 207b)을 더 포함하여 이루어질 수 있는데, 상기 미세기공층(207a, 207b)은 저가습 조건에서의 연료전지의 성능을 향상시키기 위하여 사용되는 것으로 기체확산층 밖으로 빠져나가는 물의 양을 적게 하여이온전도성 복합막(201)이 충분한 습윤 상태에 있도록 하는 역할을 한다.
앞서 설명한 바와 같은 이온전도성 복합막 및 막-전극 접합체는 고체 전해질막을 사용하는 고분자전해질형 연료전지와 직접액체 연료전지에 효과적으로 활용될 수 있다. 직접액체 연료전지의 대표적인 예로는 메탄올을 연료로 사용하는 직접메탄올 연료전지가 있다.
본 발명은 또한 상기 본 발명의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 연료전지는 스택(200), 연료공급부(400) 및 산화 제공급부(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 스택(200)은 본 발명의 막-전극접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다 상기 세퍼레이터는 막-전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막-전극 접합체로 전달하는 역할과 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜주는 전도체의 역할을 한다.
상기 연료 공급부(400)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(410) 및 연료탱크(410)에 저장된 연료를 스택(200)으로 공급하는 펌프(420)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.
상기 산화제 공급부(300)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(300)로 주입하여 사용할 수 있다
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되지 않아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시 점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
실시예
디메틸 아세트아미드에 PVDF를 10중량% 첨가하여 고분자 용액을 제조한 후, 5 kV의 전압을 인가한 전기 방사기를 사용하여 고분자 나노 파이버를 방사함으로써 다공성 매트를 제조했다. 제조된 다공성 메트를 디메틸 아세트아미드의 증기에 노출시켰다. 제조된 다공성 매트의 SEM 사진이 도 5에 나타냈다.
상기 제조된 다공성 매트를 이온전도도 0.1 S/cm의 술폰화 PVDF에 함침시켜 이온전도성 복합막을 제조하였다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 본 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 이온전도성 복합막의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 전기방사법에 의한 다공성 매트의 형성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 막-전극 접합체의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 매트의 SEM 사진이다.

Claims (18)

  1. 불소계 또는 부분 불소계 고분자 수지의 파이버를 포함하여 이루어지며, 전기방사법을 통해 형성되는 다공성 매트 및
    상기 다공성 매트에 함침된 불소계 또는 부분 불소계 이온전도성 고분자 수지를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온전도성 복합막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 매트를 구성하는 고분자 수지는 폴리플루오로비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 및 테트라플루오로에틸렌-코-헥사플루오로프로필렌(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이온전도성 복합막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 매트에 함침되는 이온전도성 고분자 수지는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰 및 이들의 산과 염기로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이온전도성 복합막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 매트의 기공도는 30~90%인 것을 특징으로 하는 이온전도성 복합막.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 매트는 용매 증기에 노출되어 파이버의 접촉 부분들이 웰딩된 것을 특징으로 하는 이온전도성 복합막.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 매트는 10~30㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이온전도성 복합막.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이온전도성 복합막은 10~40㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이온전도성 복합막.
  8. 전기방사법을 이용하여 불소계 또는 부분 불소계 고분자 수지의 파이버로 다공성 매트를 제조하는 단계; 및
    상기 다공성 매트에 불소계 또는 부분 불소계 이온전도성 고분자 수지를 함 침시키는 단계
    를 포함하는 이온전도성 복합막의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다공성 매트의 제조에 이용되는 고분자 수지는 폴리플루오로비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 및 테트라플루오로에틸렌-코-헥사플루오로프로필렌(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이온전도성 복합막의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 다공성 매트에 함침되는 이온전도성 고분자 수지는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰 및 이들의 산과 염기로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이온전도성 복합막의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 이온전도성 고분자 수지의 함침 전에 상기 다공성 매트를 용매 증기에 노출시켜 파이버의 접촉 부분들을 웰딩시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온전도성 복합막의 제조방법.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 이온전도성 복합막 및
    상기 이온전도성 복합막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 기체확산층 및 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 애노드 전극의 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 캐소드 전극의 촉매층은 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 기체확산층은 탄소페이퍼, 탄소천 또는 탄소펠트로 이루어지는 기재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 기체확산층은 상기 기재의 일면에 형성되는 미세기공층을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  17. 제12항에 따른 하나 또는 둘 이상의 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택
    연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부 및
    산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지 또는 직접액체 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지.
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