KR20110007350A - Polymer electrolyte membrane for fuel cell and low-humidified mea - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A polymer electrolyte membrane for a fuel cell is provided to reduce the content of expensive hydrogen-ion-conductive polymers and to obtain a membrane electrode assembly with excellent electric conductivity. CONSTITUTION: A polymer electrolyte membrane(20) for a fuel cell includes a hydrogen-ion-conductive polymer(21) containing porous silica particles(22). The average particle diameter of pores of the porous silica particle is 1~10 nm. The hydrogen-ion-conductive polymer is a perfluorosulfonic acid polymer. The porous silica particles is included in the amount of 1~50 parts by weight based on 100 parts by weight of the hydrogen-ion-conductive polymer. The film for fuel cell electrode assembly(10) comprises porous electrode catalyst layers(30).

Description

연료전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 저가습 막전극 집합체{Polymer electrolyte membrane for fuel cell and low-humidified MEA}Polymer electrolyte membrane for fuel cell and low-humidity membrane electrode assembly comprising same {Polymer electrolyte membrane for fuel cell and low-humidified MEA}

본 발명은 연료전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 저가습 막전극 집합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해질막의 수분함량을 유지하면서 값비싼 수소이온 전도성 고분자의 함량을 줄일 수 있는 연료전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 저가습 막전극 집합체에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell and a low-humidity membrane electrode assembly including the same, and more particularly, to a fuel cell polymer electrolyte membrane capable of reducing the content of an expensive hydrogen ion conductive polymer while maintaining the moisture content of the electrolyte membrane; It relates to a low-humidity membrane electrode assembly including the same.

연료전지(Fuel Cells)는 미래 대체 에너지원 중의 하나로, 연료 내의 화학에너지를 전기 에너지로 직접 전환시키는 발전장치의 일종으로서, 작동 온도 및 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells;Fuel cells are one of the alternative energy sources of the future, and are a type of power generation device that directly converts chemical energy in fuel into electrical energy. The fuel cells may be manufactured according to operating temperatures and types of electrolytes, such as Proton Exchange Membrane Fuel Cells;

PEMFC), 알칼리 연료전지(Alkali Fuel Cells; AFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cells; PAFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cells; MCFC), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells; SOFC) 등으로 나눌 수 있다.PEMFC), Alkali Fuel Cells (AFC), Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC), Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC), Solid Oxide Fuel Cells; SOFC) and the like.

이 중 고분자 전해질 연료전지는 다른 연료전지에 비하여 구동온도가 낮고, 에너지 전환효율이 높으며, 전류 밀도 및 출력밀도가 큰 동시에 부하 변화에 대한 응답특성이 빠르다. 특히, 전해질로 고분자막을 사용하기 때문에 구조가 간단하고 부식을 고려하지 않아도 되므로 재료 선정의 다양한 가능성이 있어서 향후 무공해 차량의 동력원, 가정용 전원, 휴대용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 산업분야에 응용 가능하다.Among them, the polymer electrolyte fuel cell has a lower driving temperature, higher energy conversion efficiency, higher current density and higher output density, and faster response to load changes than other fuel cells. In particular, since the polymer membrane is used as the electrolyte, the structure is simple and corrosion does not have to be considered. Therefore, there are various possibilities of material selection, and thus it can be applied to a wide variety of industrial fields such as a power source of a pollution-free vehicle, a home power source, a portable power source, and a military power source.

이러한 고분자 전해질 연료전지는 통상 퍼플루오로술폰산을 측쇄에 포함하는 테트라플루오로에틸렌계 공중합체인 듀퐁 (E. I. Du pont de Nemours, Inc.)사의 나피온(Nafion®)막을 전해질로 사용하는데, 나피온 고분자 전해질의 가격이 너무Such polymer electrolyte fuel cells typically use a Nafion® membrane manufactured by DU Du pont de Nemours, Inc., a tetrafluoroethylene-based copolymer containing perfluorosulfonic acid, as an electrolyte. The price of electrolytes too

고가이므로 고분자 전해질 연료전지의 상용화를 위해서는 막의 가격 저감이 요구된다. 또한, 나피온 자체의 연료 기체 및 액체(메탄올)의 투과 특성으로 인한 연료 사용률 감소와 구동 성능의 급격한 저하되므로, 막의 두께를 감소시켜 도전율 (Conductance)을 높임으로써 연료전지의 성능을 향상시키는 동시에 나피온의 사용량을 줄이려는 시도는 현실성이 없고, 반대로 나피온막의 두께를 증가시키는 것은 다시 도전율을 낮추어 연료전지의 출력특성을 떨어뜨린다는 문제점이 있다.Due to the high price, the cost of the membrane is required to commercialize the polymer electrolyte fuel cell. In addition, the fuel utilization rate and drastic deterioration of the driving performance due to the permeation characteristics of fuel gas and liquid (methanol) of Nafion itself improve the performance of the fuel cell by reducing the thickness of the membrane and increasing the conductivity. Attempts to reduce the use of Pion are not practical, on the contrary, increasing the thickness of the Nafion membrane lowers the conductivity and lowers the output characteristics of the fuel cell.

아울러, 나피온 고분자 전해질은 수화도에 따른 수치안정성이 열악해서 제조 공정상 불리함은 물론이고 장시간 구동시에 수치적으로 안정한 전극 촉매층과의 계면 접촉 열화로 성능을 떨어뜨리는 문제점도 있다.In addition, the Nafion polymer electrolyte has a poor numerical stability depending on the degree of hydration, which is disadvantageous in the manufacturing process, and also has a problem in that performance is degraded due to deterioration of interfacial contact with the electrode catalyst layer which is numerically stable during long time operation.

상기 문제점들을 해결하기 위하여 미국특허 제 5,547,551호(W.L.Gore & Associates, Inc.)는 연신된 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 다공성 고분자 필름에 액체 상태의 이온전도 고분자를 함침함으로써 기계적 물성 및 수치 안정성이 강화된 복합막 제조방법을 제안하고 있다. 이 방법에 의해 제조된 복합막은 나피온막 에 비해 수소이온 전도도(Proton Conductivity)는 다소 낮지만, 25㎛ 내외의 얇은 두께의 막을 제조할 수 있으므로 도전율은 기존의 나피온막보다 향상될 수 있다. 또한, 미국특허 제6,130,175호(Gore Enterprise Holdings, Inc.)는 연신된 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 다공성 고분자 필름 양면에 서로 다른 이온전도 고분자를 충진함으로써 이온 선택성을 높이는 동시에 기계적 물성을 향상시킬 수 있었다. 또한, 유럽특허 제 0,094,679호(Asahi Glass Co. Ltd.)에서도 불소계 이온전도 고분자와 폴리테트라플루오로에틸렌 미세섬유를 혼합 후 연신하여 강화된 복합막을 제조하는 방법을 개시하였다.In order to solve the above problems, U.S. Patent No. 5,547,551 (WLGore & Associates, Inc.) enhances mechanical properties and numerical stability by impregnating a liquid ion conductive polymer in a porous polymer film such as stretched polytetrafluoroethylene. A method for producing a composite membrane is proposed. The composite film prepared by this method has a slightly lower proton conductivity than the Nafion film, but can produce a thin film having a thickness of about 25 μm, and thus the conductivity may be improved than that of the conventional Nafion film. In addition, US Patent No. 6,130,175 (Gore Enterprise Holdings, Inc.) was able to increase ion selectivity and improve mechanical properties by filling different ion conductive polymers on both sides of a porous polymer film such as elongated polytetrafluoroethylene. . In addition, European Patent No. 0,094,679 (Asahi Glass Co. Ltd.) also discloses a method for preparing a reinforced composite membrane by mixing and stretching a fluorine-based ion conductive polymer and polytetrafluoroethylene microfibers.

그러나, 상기와 같이 나피온 막을 대체하는 다공성 고분자 막은 전해질 막의 가장 기본적인 물성인 막 전도도, 파단신율, 저가습성의 물성 등이 나피온 막에 비해 떨어지는 문제가 있었다.However, the porous polymer membrane replacing the Nafion membrane as described above has a problem that the most basic properties of the electrolyte membrane, such as membrane conductivity, elongation at break, low-humidity properties, etc. are inferior to the Nafion membrane.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명이 해결하고자 하는 첫번째 과제는, 저가습 조건에서도 셀 성능이 저하되지 않는 연료전지용 고분자 전해질 막을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and the first problem to be solved by the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane for a fuel cell in which cell performance is not deteriorated even under low humidity conditions.

본 발명이 해결하고자 하는 두번째 과제는, 전기전도성의 감소를 억제할 수 있는 연료전지용 막전극접합체를 제공하는 것이다.A second object of the present invention is to provide a fuel cell membrane electrode assembly that can suppress a decrease in electrical conductivity.

본 발명은 상기 첫번째 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the first object,

다공성 실리카 입자를 함유한 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질 막을 제공한다.A polymer electrolyte membrane for a fuel cell including a hydrogen ion conductive polymer containing porous silica particles is provided.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 다공성 실리카 입자의 기공의 평균입경이 1 ~ 10㎚이고 다공성 실리카 입자의 평균입경은 50 ~ 1000㎚일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the average particle diameter of the pores of the porous silica particles may be 1 ~ 10nm and the average particle diameter of the porous silica particles may be 50 ~ 1000nm.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 수소이온 전도성 고분자는 퍼플루오로술폰산 고분자일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the hydrogen ion conductive polymer may be a perfluorosulfonic acid polymer.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 수소이온 전도성 고분자 100 중량부에 대하여 다공성 실리카 입자 1 ~ 50중량부를 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the porous silica particles may include 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the hydrogen ion conductive polymer.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전해질 막의 두께는 20 ~ 300㎛일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the thickness of the electrolyte membrane may be 20 ~ 300㎛.

본 발명은 상기 두번째 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the second object,

고분자 전해질 막의 양 표면에 다공성 전극 촉매층을 포함하는 전극을 구비하는 연료전지용 막전극접합체에 있어서, 상기 고분자 전해질 막은 상술한 본 발명의 고분자 전해질 막을 사용한다.In the membrane electrode assembly for fuel cell having an electrode including a porous electrode catalyst layer on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane uses the polymer electrolyte membrane of the present invention described above.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 전극 촉매층은 연료전지용 금속촉매가 담지된 그래핀(graphene)을 함유할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the electrode catalyst layer may contain graphene (graphene) loaded with a metal catalyst for a fuel cell.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 연료전지용 금속촉매는 나노큐브(nano cube)의 표면에 촉매 금속입자가 코어-쉘 타입으로 코팅될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the fuel cell metal catalyst may be coated with a catalyst metal particle in the core-shell type on the surface of the nano cube.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 나노큐브는 옥사이드 입자일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the nanocube may be oxide particles.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 옥사이드 입자는 산화마그네슘 또는 산화제2구리일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the oxide particles may be magnesium oxide or cupric oxide.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 촉매 금속입자는 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the catalytic metal particles may be platinum (Pt) or palladium (Pd).

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 나노큐브 입자에 코팅된 촉매 금속입자층의 두께는 1 ~ 100㎚일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the thickness of the catalyst metal particle layer coated on the nanocube particles may be 1 ~ 100nm.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 연료전지용 금속촉매는 상기 나노큐브가 산화마그네슘이고 금속 촉매입자가 백금이거나, 나노큐브가 산화제2구리이고 금속 촉매입자가 팔라듐일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the fuel cell metal catalyst may be the nanocube is magnesium oxide and the metal catalyst particles are platinum, or the nanocube is cupric oxide and the metal catalyst particles may be palladium.

본 발명의 연료전지용 고분자 전해질 막은 내부에 친수성인 다공성 실리카 물질을 포함하므로 전해질 막의 수분의 함량을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 막전극집합체는 전기전도성이 우수할 뿐 아니라 나노큐브(nano cube)의 표면에 촉매 금속입자가 코어-쉘 타입으로 코팅되므로 값비싼 촉매 금속입자(특히 백금)의 함량을 최소화하는 촉매를 사용한다. Since the polymer electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention includes a hydrophilic porous silica material therein, the moisture content of the electrolyte membrane may be kept constant. In addition, the membrane electrode assembly of the present invention not only has excellent electrical conductivity but also minimizes the content of expensive catalytic metal particles (particularly platinum) since the catalyst metal particles are coated in the core-shell type on the surface of the nano cube. Use catalyst.

또한, 촉매 급속입자를 그래핀에 담지하는 경우 통상의 탄소나노튜브에 담지하는 것에 비하여 가격이 현저하게 저렴하면서도 유사한 효과를 가진다.In addition, when the catalyst fast particles are supported on graphene, the catalyst particles are significantly cheaper than the conventional carbon nanotubes, and have similar effects.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

상술한 바와 같이 종래의 나피온 막을 대체하는 다공성 고분자 막은 전해질 막의 가장 기본적인 물성인 막 전도도, 파단신율, 저가습성의 물성 등이 나피온 막에 비해 떨어지는 문제가 있었다. 또한 나피온 막의 경우 저가습능 및 전기전도성이 떨어지는 문제가 있었다.As described above, the porous polymer membrane replacing the conventional Nafion membrane has a problem that membrane conductivity, breaking elongation, low-humidity properties, etc., which are the most basic physical properties of the electrolyte membrane, are inferior to those of the Nafion membrane. In addition, the Nafion membrane had a problem of inferior low-cost wettability and electrical conductivity.

이에 본 발명에서는 다공성 실리카 입자를 함유한 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 막전극집합체를 제공하여 상술한 문제점의 해결을 도모하였다. Accordingly, the present invention provides a polymer electrolyte membrane for a fuel cell including a hydrogen ion conductive polymer containing porous silica particles, and a membrane electrode assembly including the same.

구체적으로 본 발명이 일실시예에 따른 연료전지용 막전극집합체를 첨부된 도 1을 참조하여 설명하면 도 1은 본 발명의 연료전지용 막전극집합체의 단면도로서 막전극집합체(10)는 고분자 전해질 막(20)의 양면에 전극 촉매층(30)이 형성된 다. Specifically, when the fuel cell membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention is described with reference to FIG. 1, FIG. 1 is a cross-sectional view of the membrane electrode assembly for a fuel cell of the present invention. Electrode catalyst layer 30 is formed on both sides of the 20).

먼저, 고분자 전해질 막(20)을 설명한다.First, the polymer electrolyte membrane 20 will be described.

본 발명의 고분자 전해질 막(20)은 막의 주성분인 수소이온 전도성 고분자(21)의 내부에 다공성 실리카 입자(22)가 분산 배열된다. 먼저, 수소이온 전도성 고분자(21)는 고분자 전해질 막의 주성분으로서 통상의 연료전지용 수소이온 전도성 고분자라면 종류의 제한이 없지만 바람직하게는 하기 화학식 1로 표시되는 수소이온 전도성 고분자를 사용할 수 있으며 보다 바람직하게는 퍼플루오로술폰산 고분자일 수 있다.In the polymer electrolyte membrane 20 of the present invention, porous silica particles 22 are dispersed and arranged in the hydrogen ion conductive polymer 21 which is a main component of the membrane. First, as the main component of the polymer electrolyte membrane, the hydrogen ion conductive polymer 21 is not limited as long as it is a conventional hydrogen ion conductive polymer for fuel cells. Preferably, the hydrogen ion conductive polymer represented by the following Chemical Formula 1 may be used, and more preferably. Perfluorosulfonic acid polymer.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112009043273518-PAT00001
Figure 112009043273518-PAT00001

상기 식에서, X는 SO2F, SO2Cl, SO2Br, COOR이고 R은 (CH2) qCH3이고 q는 0~10 이며 m은 3~15, n은 0~1, p는 0을 포함하는 정수이다. 상기 화학식 1로 표시되는 수소이온 전도성 고분자의 대표적인 예로는 듀퐁(E. I. Dupont de Nemours)사의 나피온 레진(Nafion® Resin)을 들 수 있다.Wherein X is SO 2 F, SO 2 Cl, SO 2 Br, COOR, R is (CH 2 ) qCH 3 , q is 0-10, m is 3-15, n is 0-1, p is 0 The integer to include. Representative examples of the hydrogen ion conductive polymer represented by Chemical Formula 1 may include Nafion Resin, manufactured by Dupont de Nemours.

상기 수소이온 전도성 고분자(21)의 내부에 분산되는 다공성 실리카 입자(22)는 도 2의 전자현미경 사진을 통해 확인할 수 있듯이 입자의 내부에 다수의 기공이 형성되므로 전해질 막의 수분의 함량을 일정하게 유지할 수 있다. 이 경 우 상기 다공성 실리카 입자(22)의 기공의 평균입경이 1 ~ 10㎚이고 다공성 실리카 입자의 평균입경은 50 ~ 1000㎚일 수 있다. 한편, 고분자 전해질 막(20)은 통상의 연료전지용 고분자 전해질 막을 제조하는 방법을 통해 제조될 수 있으며, 이 경우 바람직하게는 상기 수소이온 전도성 고분자 100 중량부에 대하여 다공성 실리카 입자 1 ~ 50중량부를 포함할 수 있다. 또한 상기 전해질 막의 두께는 20 ~ 300㎛일 수 있다.As the porous silica particles 22 dispersed in the hydrogen ion conductive polymer 21 can be seen through the electron micrograph of FIG. 2, a plurality of pores are formed inside the particles to maintain a constant water content of the electrolyte membrane. Can be. In this case, the average particle diameter of the pores of the porous silica particles 22 may be 1 to 10 nm, and the average particle diameter of the porous silica particles may be 50 to 1000 nm. On the other hand, the polymer electrolyte membrane 20 may be prepared through a conventional method for producing a polymer electrolyte membrane for fuel cells, in this case preferably 1 to 50 parts by weight of porous silica particles based on 100 parts by weight of the hydrogen ion conductive polymer. can do. In addition, the thickness of the electrolyte membrane may be 20 ~ 300㎛.

다음, 고분자 전해질 막(20)의 양면에 형성된 전극 촉매층(30)을 설명한다. 전극 촉매층(30)은 도전제(31)의 내부에 그래핀(32)이 분산된다. 구체적으로 기공성 탄소는 비표면적과 기공체적이 높을 뿐 아니라 산이나 염기에서 안정하기 때문에 흡착제나 촉매 담체로 자주 활용되었다. 특히, 저온형 연료전지의 기술개발과 더불어 연료전지 촉매의 담체로 사용되는 탄소에 대해서 많은 관심이 집중되고 있다. 연료전지용 금속촉매 담체로서 탄소는 많은 금속을 담지하기 위해 비표면적이 높아야 하며 촉매-반응물-전해질의 삼상계면 형성이 용이하도록 기공이 커야 할 뿐 아니라, 전자의 이동을 원활히 하기 위해 전도성이 높고 전기화학 산화반응을 견딜 수 있어야 한다. 이러한 요구조건을 만족시키기 위해 본 발명에서는 탄소원자들이 벌집모양으로 연결되어 있는 얇은 막형태의 그래핀(평면형 판상구조)을 담체로 활용하였다. 이를 통해 촉매의 전기 전도성 및 산화조건에서 안정성을 향상시킬 수 있다.Next, the electrode catalyst layer 30 formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 20 will be described. In the electrode catalyst layer 30, graphene 32 is dispersed in the conductive agent 31. Specifically, the porous carbon is frequently used as an adsorbent or a catalyst carrier because it has a high specific surface area and pore volume and is stable in an acid or a base. In particular, with the development of low temperature fuel cell technology, much attention has been focused on carbon used as a carrier for fuel cell catalysts. As a metal catalyst carrier for fuel cells, carbon must have a high specific surface area to support many metals, and large pores to facilitate the formation of three-phase interface of catalyst-reactant-electrolyte, as well as high conductivity and electrochemistry to facilitate electron transfer. It must be able to withstand oxidation. In order to satisfy these requirements, the present invention utilizes a thin film-like graphene (planar plate structure) in which carbon atoms are connected in a honeycomb shape as a carrier. This can improve the stability in the electrical conductivity and oxidation conditions of the catalyst.

상기 그래핀(32)은 그 내부에 금속촉매(33)를 포함한다. 도 3a, 3b는 각각 본 발명의 연료전지용 금속촉매에 대한 단면도와 사시도로서 연료전지용 금속촉매(100)는 그 내부에 육면체 형상의 나노큐브(110)와 상기 나노큐브(110)의 표면에 코팅된 촉매 금속입자(120)로 이루어진다. 이 중 상기 나노큐브(110)는 바람직하게는 옥사이드 입자일 수 있으며 보다 바람직하게는 상기 옥사이드 입자는 산화마그네슘 또는 산화제2구리일 수 있다. 이 경우 본 발명에 사용가능한 나노큐브(110)의 형상은 육면체의 형상인 것이 바람직하며, 상기 육면체의 한변의 길이는 대략 1 ~ 1000㎚인 것이 바람직하다. 한편 나노큐브(110)가 육면체 형상이면 비표면적이 넓어지게 되어 반응성이 증대된다. The graphene 32 includes a metal catalyst 33 therein. 3A and 3B are cross-sectional views and perspective views, respectively, of the fuel cell metal catalyst of the present invention, wherein the fuel cell metal catalyst 100 is coated on the surface of the nanocube 110 and the nanocube 110 having a hexahedron shape therein. It is made of a catalytic metal particle (120). Among them, the nanocube 110 may be preferably oxide particles, and more preferably, the oxide particles may be magnesium oxide or cupric oxide. In this case, the shape of the nanocube 110 usable in the present invention is preferably in the shape of a cube, the length of one side of the cube is preferably approximately 1 ~ 1000nm. On the other hand, if the nanocube 110 has a hexahedron shape, the specific surface area becomes wider, thereby increasing reactivity.

상기 나노큐브(110)의 표면에 코팅되는 상기 촉매 금속입자(120)는 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)일 수 있다. 특히 상기 촉매 금속입자(120)로서 팔라듐을 사용하는 경우 백금과 유사한 효과를 가지면서도 비용면에서 현저히 저렴하므로 상업화하기에 대단히 유리하다. 이 경우 상기 나노큐브 입자에 코팅된 촉매 금속입자층의 두께는 1 ~ 100㎚일 수 있다. 만일 금속입자의 두께가 1㎚ 이하이면 촉매로서 작용이 곤란한 문제가 발생할 수 있고, 100 ㎚를 초과하면 백금의 사용량이 너무 많은 문제가 있다.The catalytic metal particles 120 coated on the surface of the nanocube 110 may be platinum (Pt) or palladium (Pd). In particular, in the case of using palladium as the catalyst metal particles 120, it is very advantageous in commercialization because it has a similar effect to platinum and is significantly cheaper in terms of cost. In this case, the thickness of the catalyst metal particle layer coated on the nanocube particles may be 1 to 100 nm. If the thickness of the metal particles is 1 nm or less, a problem that may be difficult to act as a catalyst may occur. There is too much usage.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 연료전지용 금속촉매는 상기 나노큐브가 산화마그네슘이고 금속 촉매입자가 백금이거나, 나노큐브가 산화제2구리이고 금속 촉매입자가 팔라듐일 수 있다.On the other hand, according to a preferred embodiment of the present invention, the fuel cell metal catalyst may be the nanocube is magnesium oxide and the metal catalyst particles are platinum, or the nanocube is cupric oxide and the metal catalyst particles may be palladium.

본 발명에 따른 연료전지용 금속촉매를 제조하는 방법은 크게 2가지로 분류할 수 있다. 첫번째로 나노큐브 형태의 산화마그네슘 또는 산화제2구리를 준비한 후 백금 용액에 상기 준비된 나노큐브를 함침시켜 대기 분위기에서 건조하여 백금을 나노큐브에 코팅시킨다. 그 뒤 상기 백금이 코팅된 촉매를 수소/질소 혼합가스를 운반기체로 하여 환원시켜 본 발명의 연료전지용 금속촉매를 제조한다.The method for producing a metal catalyst for a fuel cell according to the present invention can be broadly classified into two types. First, after preparing magnesium oxide or cupric oxide in the nanocube form, the platinum solution is impregnated with the prepared nanocube and dried in an atmospheric atmosphere to coat platinum on the nanocube. Thereafter, the platinum-coated catalyst is reduced by using a hydrogen / nitrogen mixed gas as a carrier gas to prepare a metal catalyst for a fuel cell of the present invention.

보다 구체적으로 준비된 나노큐브를 백금 용액에 함침시키는 방법의 경우 함침법에 제한되지 않으며 콜로이드법, 침전법의 방법으로도 가능하다. 상기 백금 용액은 백금 또는 백금합금 전구체를 용해한 용액으로, 백금합금 전구체로는 염화백금산(H2PtCl6), 백금염화물(PtCl2), 백금질산화물(Pt(NO3)2) 등이 있고, 이 때의 용매로는 증류수, 메탄올 또는 에탄올이 사용가능하다. 백금 또는 백금합금 전구체를 용매에 녹여 원하는 종류의 나노큐브에 함침법으로 담지한 후, 대기 분위기에서 100∼150℃의 온도를 유지하여 12∼24 시간동안 건조한다. 상기 용매는 증류수, 메탄올, 에탄올로 이루어진 군으로부터 적어도 하나이상 선택된 것을 특징으로 한다. 상기 백금합금에 사용되는 원소는 Cr, Ni, Mo, Co, Ti, Mn, Fe, Cu, Pd, Os, Ga, Zr, Hf, Ir 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.More specifically, the method of impregnating the prepared nanocube in the platinum solution is not limited to the impregnation method, it is also possible to colloid method, precipitation method. The platinum solution is a solution in which a platinum or platinum alloy precursor is dissolved. Examples of the platinum alloy precursor include platinum chloride (H 2 PtCl 6 ), platinum chloride (PtCl 2 ), and platinum oxide (Pt (NO 3 ) 2 ). As the solvent, distilled water, methanol or ethanol can be used. The platinum or platinum alloy precursor is dissolved in a solvent and impregnated in a nanocube of a desired type by impregnation, followed by drying for 12 to 24 hours while maintaining a temperature of 100 to 150 ° C. in an air atmosphere. The solvent is characterized in that at least one selected from the group consisting of distilled water, methanol, ethanol. As the element used in the platinum alloy, Cr, Ni, Mo, Co, Ti, Mn, Fe, Cu, Pd, Os, Ga, Zr, Hf, Ir, or a mixture thereof may be used.

그 뒤 백금 또는 백금합금 전구체가 담지된 촉매를 환원반응에 의하여 최종적으로 나노큐브의 표면을 코팅하고 이를 건조하여 최종 촉매를 제조한다. Thereafter, the catalyst on which the platinum or platinum alloy precursor is supported is finally coated by a reduction reaction to coat the surface of the nanocube and dried to prepare a final catalyst.

두번째로서 나노큐브의 표면에 에피성장(Epitaxial growth)를 통해서 백금이 노출된 코어/쉘 구조로 제작이 가능하며 이에 대한 상세한 조건 및 제조방법은 (J. Appl. Phys., 2005, 97, 10H303, (JACS, 2007, 129, 6974-6975))에 상세히 기재되어 있다.Secondly, it is possible to fabricate a core / shell structure in which platinum is exposed through epitaxial growth on the surface of the nanocube, and detailed conditions and manufacturing methods thereof (J. Appl. Phys., 2005, 97, 10H303, (JACS, 2007, 129, 6974-6975).

결국 본 발명의 전극촉매층에서는 통상의 나피온이나 탄소나노튜브를 대체하여 그래핀을 담체로 사용하였다. 이 경우 통상의 나피온이나 탄소나노튜브에 촉매를 담지하는 방법과 동일한 방법에 이해 담지할 수 있으며 바람직하게는 상기 본 발명의 촉매를 반응기에 넣고, 여기에 부피비 1 : 4의 수소/질소 혼합기체를 흘려주면서 250∼350℃ 의 온도에서 1∼3 시간동안 환원반응을 수행한다. 환원반응이 끝나면 질소 분위기에서 상온으로 냉각하여 본 발명의 연료전지용 촉매가 담지된 그래핀(graphene)을 제조한다. 이 경우 그래핀 100 중량부에 대하여 본 발명의 촉매 0.1 ~ 80중량부를 혼합할 수 있다.As a result, in the electrode catalyst layer of the present invention, graphene was used as a carrier in place of conventional Nafion or carbon nanotubes. In this case, it can be supported by the same method as the method of supporting a catalyst in a conventional Nafion or carbon nanotubes, and preferably the catalyst of the present invention is put in a reactor, and the hydrogen / nitrogen mixed gas having a volume ratio of 1: 4 Reducing the reaction for 1 to 3 hours at a temperature of 250 ~ 350 ℃ while flowing. After the reduction reaction is cooled to room temperature in a nitrogen atmosphere to prepare a graphene (graphene) loaded with the catalyst for a fuel cell of the present invention. In this case, 0.1 to 80 parts by weight of the catalyst of the present invention may be mixed with respect to 100 parts by weight of graphene.

그 뒤 고분자 전해질막에 대하여 스프레이 방법으로 전해질막에 직접 코팅할 수 있다. 직접 코팅법은 통상의 담지법에 비하여 촉매의 이용률이 증가하고 계면저항이 감소될 뿐 아니라 이온전도도가 증가하게 된다.Thereafter, the polymer electrolyte membrane may be directly coated on the electrolyte membrane by a spray method. The direct coating method increases the utilization of the catalyst, decreases the interfacial resistance as well as increases the ionic conductivity as compared with the conventional supporting method.

결국, 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질 막은 내부에 친수성인 다공성 실리카 물질을 포함하므로 전해질 막의 수분의 함량을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 막전극집합체는 전기전도성이 우수할 뿐 아니라 나노큐브(nano cube)의 표면에 촉매 금속입자가 코어-쉘 타입으로 코팅되므로 값비싼 촉매 금속입자(특히 백금)의 함량을 최소화하는 촉매를 사용한다. As a result, the polymer electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention includes a hydrophilic porous silica material therein, so that the moisture content of the electrolyte membrane can be kept constant. In addition, the membrane electrode assembly of the present invention not only has excellent electrical conductivity but also minimizes the content of expensive catalytic metal particles (particularly platinum) since the catalyst metal particles are coated in the core-shell type on the surface of the nano cube. Use catalyst.

또한, 촉매 급속입자를 그래핀에 담지하는 경우 통상의 탄소나노튜브에 담지하는 것에 비하여 가격이 현저하게 저렴하면서도 유사한 효과를 가진다.In addition, when the catalyst fast particles are supported on graphene, the catalyst particles are significantly cheaper than the conventional carbon nanotubes, and have similar effects.

본 발명은 전해질 막이 저가습 조건에서도 셀 성능이 저하되지 않으므로 화학산업에 대단히 유용한 발명이다.The present invention is a very useful invention for the chemical industry because the electrolyte membrane does not degrade the cell performance even under low-humidity conditions.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 연료전지용 막전극집합체의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a membrane electrode assembly for a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 고분자 전해질 막에 포함된 다공성 실리카 입자의 투과전자현미경 사진이다.Figure 2 is a transmission electron micrograph of the porous silica particles contained in the polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 연료전지용 전극촉매의 단면도 및 개략도이다.3A and 3B are cross-sectional views and schematic views of an electrode catalyst for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명에 사용되는 그래핀의 원자결합구조이다.4 is an atomic bond structure of graphene used in the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 막전극 집합체 20 : 전해질 막10 membrane electrode assembly 20 electrolyte membrane

22 : 다공성 실리카 입자 30 : 전극 촉매층22 porous silica particles 30 electrode catalyst layer

32 : 그래핀 33 : 촉매 금속입자32: graphene 33: catalytic metal particles

Claims (14)

다공성 실리카 입자를 함유한 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질 막.A polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising a hydrogen ion conductive polymer containing porous silica particles. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 다공성 실리카 입자의 기공의 평균입경이 1 ~ 10㎚이고 다공성 실리카 입자의 평균입경은 50 ~ 1000㎚인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막.A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that the average particle diameter of the pores of the porous silica particles is 1 ~ 10nm and the average particle diameter of the porous silica particles is 50 ~ 1000nm. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 수소이온 전도성 고분자는 퍼플루오로술폰산 고분자인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막.The hydrogen ion conductive polymer is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that the perfluorosulfonic acid polymer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수소이온 전도성 고분자 100 중량부에 대하여 다공성 실리카 입자 1 ~ 50중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 막.A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising 1 to 50 parts by weight of porous silica particles based on 100 parts by weight of the hydrogen ion conductive polymer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전해질 막의 두께는 20 ~ 300㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분 자 전해질 막.A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that the thickness of the electrolyte membrane is 20 ~ 300㎛. 고분자 전해질 막의 양 표면에 다공성 전극 촉매층을 포함하는 전극을 구비하는 연료전지용 막전극접합체에 있어서,In the membrane electrode assembly for a fuel cell having an electrode including a porous electrode catalyst layer on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, 상기 고분자 전해질 막은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 고분자 전해질 막인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체.The polymer electrolyte membrane is a fuel cell membrane electrode assembly, characterized in that the polymer electrolyte membrane of any one of claims 1 to 5. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 전극 촉매층은 연료전지용 금속촉매가 담지된 그래핀(graphene)을 함유하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극집합체.The electrode catalyst layer is a fuel cell membrane electrode assembly, characterized in that it contains graphene (graphene) loaded with a metal catalyst for the fuel cell. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 연료전지용 금속촉매는 나노큐브(nano cube)의 표면에 촉매 금속입자가 코어-쉘 타입으로 코팅된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극집합체.The fuel cell metal catalyst is a fuel cell membrane electrode assembly, characterized in that the catalyst metal particles are coated in the core-shell type on the surface of the nano cube (nano cube). 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 나노큐브는 옥사이드 입자인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극집합체.The nanocube is a membrane electrode assembly for a fuel cell, characterized in that the oxide particles. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 옥사이드 입자는 산화마그네슘 또는 산화제2구리인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극집합체.The oxide particle is a fuel cell membrane electrode assembly, characterized in that the magnesium oxide or cupric oxide. 제8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 촉매 금속입자는 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극집합체.The catalyst metal particles are platinum (Pt) or palladium (Pd) membrane electrode assembly for a fuel cell, characterized in that. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 나노큐브 입자에 코팅된 촉매 금속입자층의 두께는 1 ~ 100㎚인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극집합체.Membrane electrode assembly for a fuel cell, characterized in that the thickness of the catalyst metal particle layer coated on the nanocube particles. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 연료전지용 금속촉매는 상기 나노큐브가 산화마그네슘이고 금속 촉매입자가 백금이거나, 나노큐브가 산화제2구리이고 금속 촉매입자가 팔라듐인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극집합체.The fuel cell metal catalyst assembly of claim 1, wherein the nanocube is magnesium oxide, the metal catalyst particles are platinum, the nanocube is cupric oxide, and the metal catalyst particles are palladium. 제7항 내지 지13항 중 어느 한 항의 연료전지용 막전극집합체를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane electrode assembly of any one of claims 7 to 13.
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