KR20140129721A - Proton exchange membrane for fuel cell, preparation method thereof and fuel cell comprising the same - Google Patents

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김상경
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Abstract

The present invention relates to: a polymer electrolyte membrane of a fuel cell which improves the performance of fuel cells by maximizing the reaction area of electrodes and the electrolyte membrane of polymers to enlarge the three-phase interfaces, in which electrochemical reaction of fuel cells is made; a manufacturing method thereof; and a fuel cell including the same and, more specifically, to a direct methanol fuel cell (DMFC), which is a low temperature fuel cell using the electrolyte membrane of polymers, and polymer electrolyte fuel cells (PEFC).

Description

연료전지의 고분자 전해질막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 {PROTON EXCHANGE MEMBRANE FOR FUEL CELL, PREPARATION METHOD THEREOF AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME} TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, a method for manufacturing the same, and a fuel cell including the membrane,

본 발명은 연료전지의 고분자 전해질막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 전기화학적 반응이 일어나는 반응계면인 3상계면을 확대시키기 위하여 고분자 전해질막과 전극의 반응면적을 극대화시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지의 고분자 전해질막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지, 특히 고분자 전해질막을 사용하는 저온형 연료전지인 직접메탄올 연료전지(DMFC)와 고분자 전해질 연료전지(PEFC)에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte membrane of a fuel cell, a method of manufacturing the same, and a fuel cell including the polymer electrolyte membrane. More particularly, A direct methanol fuel cell (DMFC), which is a low-temperature type fuel cell using a polymer electrolyte membrane, and a method of manufacturing the same, which can improve the performance of a fuel cell by maximizing a reaction area of the fuel cell, And a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).

연료전지(Fuel cell)는 수소 또는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 연료 내에 함유된 수소와 공기 중에 함유된 산소의 화학적 에너지를 전기화학 반응을 통하여 전기 에너지로 직접 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical energy of hydrogen contained in hydrocarbons fuel such as hydrogen, such as methanol, ethanol, and natural gas, and oxygen contained in the air, into electrical energy through an electrochemical reaction.

이러한 연료전지는 기존의 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위전지를 적층하여 스택으로 구성하여 모듈화시키면 수 W에서 수백 kW의 다양한 범위의 출력을 얻을 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4~10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 전원으로 주목받고 있다. Such a fuel cell is a clean energy source that can replace conventional fossil energy. When a unit cell is stacked to form a stack and modularized, the fuel cell has an advantage of obtaining a wide range of output from several watts to several hundreds of kilowatts. It has been attracting attention as a compact and mobile power source because it exhibits energy density 4 to 10 times that of a battery.

연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질 연료전지(PEFC), 알칼리 연료전지(AFC) 등으로 구분할 수 있다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 전기화학적 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. Fuel cells can be classified into various types depending on the type of electrolyte used, such as a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) AFC). Each of these fuel cells basically operates by electrochemical principles, but the type of fuel used, the operating temperature, the catalyst, and the electrolyte are different from each other.

상기 연료전지 중에서 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)를 비롯하여 직접메탄올 연료전지(DMFC)가 있다. Among the fuel cells, a fuel cell using a polymer membrane as an electrolyte includes a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) and a direct methanol fuel cell (DMFC).

수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)는 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 개질장치 등의 부대설비가 필요하다.Polymer electrolyte fuel cells (PEFCs), which use hydrogen as a fuel, have the advantages of high energy density and high output. However, attention has to be paid to the handling of hydrogen gas. Methane, methanol and natural gas And a fuel reforming device for reforming the fuel and the like.

직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 고분자 전해질 연료전지와 거의 동일한 수소 이온 전도성 고분자막을 전해질로 사용하지만, 액체 메탄올을 연료롤 직접 사용하는 점이 고분자 전해질 연료전지와 다르다. 직접 메탄올 연료전지는 연료 개질기없이 상온 기동이 가능하고 100℃ 미만의 작동 온도에서 운전되므로 휴대용이나 소형 연료전지로 적합하다는 장점이 있다.Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) uses the same hydrogen ion conductive polymer membrane as the polymer electrolyte fuel cell, but uses direct methanol fuel as the electrolyte, which is different from the polymer electrolyte fuel cell. Direct methanol fuel cells are capable of starting at room temperature without a fuel reformer and operate at operating temperatures below 100 ° C, making them suitable for portable or small fuel cells.

직접 메탄올 연료전지는 높은 에너지 밀도, 저온 운전, 시스템 소형화가 가능하다는 이점을 가진 에너지 변환장치로 주목을 받고 있다. 하지만 직접 메탄올 연료전지는 액체 메탄올의 낮은 반응 활성으로 인하여 고가의 귀금속 촉매를 많이 사용한다는 점과 메탄올이 연료극에서 공기극으로 크로스 오버(투과)되어 연료전지의 성능을 저하시키는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한 촉매 저감 기술과 고성능 고분자막 합성 기술이 많이 연구되고 있다.Direct methanol fuel cells are attracting attention as energy conversion devices that have the advantages of high energy density, low temperature operation, and miniaturization of the system. However, the direct methanol fuel cell has a disadvantage in that it uses much expensive noble metal catalyst due to the low reactivity of liquid methanol and crossover (permeates) from the fuel electrode to the air electrode to degrade the performance of the fuel cell. To overcome these disadvantages, catalyst abatement technology and high performance polymer membrane synthesis technology have been studied extensively.

직접 메탄올 연료전지의 기본구조는 고분자 전해질막 (보통, 네피온(Nafion) 멤브레인)을 중심으로 양쪽에 다공질의 카본종이에 촉매층이 입혀진 연료극(산화극)과 공기극(환원극)이 부착되어 있으며, 전극 위에 집전체 또는 분리판이 위치한다.The basic structure of a direct methanol fuel cell has a fuel electrode (oxidizing electrode) and an air electrode (reducing electrode) on both sides of a polymer electrolyte membrane (usually a Nafion membrane) with a catalytic layer coated on porous carbon paper, A current collector or separator is placed on the electrode.

직접 메탄올 연료전지에는 전해질을 액체 혹은 고체 전해질을 사용하는 형태가 있다. 액체 전해질로는 수산화칼륨(KOH), 황산(H2SO4)등이 사용되며, 고체 전해질로는 네피온 등의 고체 고분자막이 사용된다. 직접 메탄올 연료전지의 개발 초기에는 액체 전해질을 사용하는 연료전지에 초점을 맞추고 연구가 시작되었으나, 전해질의 분해, 농도 제어 등의 어려움 때문에 현재는 주로 수소 이온 교환 고분자막을 전해질로 사용하는 고체 고분자형 직접 메탄올 연료전지의 연구가 주류를 이루고 있다.Direct methanol fuel cells use liquid or solid electrolytes as electrolyte. A liquid electrolyte is used, such as a potassium hydroxide (KOH), sulfuric acid (H 2 SO 4), the solid polymer membrane such as Nafion is four in the solid electrolyte is used. In the early stage of direct methanol fuel cell development, focusing on fuel cells using liquid electrolyte has been studied. However, due to difficulties in decomposition and concentration control of electrolytes, it is currently difficult to produce solid polymer type direct electrolyte using hydrogen ion- Researches on methanol fuel cells are becoming mainstream.

직접 메탄올 연료전지는 전해질로 수소 이온을 전달하는 수소 이온 교환 고분자막을 사용한다. 고분자 막은 연료극과 공기극 사이에서 수소 이온의 전달체 역할을 하는 동시에 연료와 산소가 서로 분리되도록 하는 분리막 역할도 한다. 따라서 고분자 전해질막은 수소 이온 전도성이 높아야 하는 대신 전자 전도성이 낮아야 하고, 이온의 이동에 비하여 반응 기체나 연료의 이동은 적어야 하며 기계적, 화학적 안정성이 높아야 한다.Direct methanol fuel cells use hydrogen ion exchange polymer membranes that transfer hydrogen ions to the electrolyte. The polymer membrane serves as a carrier of hydrogen ions between the fuel electrode and the air electrode, and serves as a separator for separating fuel and oxygen from each other. Therefore, the polymer electrolyte membrane should have high hydrogen ion conductivity, low electron conductivity, less reactive gas or fuel transfer, and high mechanical and chemical stability.

직접 메탄올 연료전지의 성능을 향상시키기 위한 종래의 연구로는 전극 성능 향상을 위한 탄소 담지 고활성 백금 촉매 (Pt/C, PtRu/C), 고전도성 프로톤 전도성 고분자막(예, 네피온) 그리고 전극 슬러리의 코팅 기술 개발 등이 진행되고 있다.Conventional studies for improving the performance of direct methanol fuel cells have been carried out in order to improve the electrode performance, such as carbon-supported highly active platinum catalysts (Pt / C, PtRu / C), high conductivity proton conductive polymer membranes And the development of coating technology.

직접 메탄올 연료전지의 성능을 향상시키기 위한 종래기술은 하기와 같다.The prior art for improving the performance of a direct methanol fuel cell is as follows.

한국등록특허 제0534658호에서는 주쇄가 퍼플루오로네이트계인 이오노머(A)와 주쇄가 가교화된 탄화수소계 이오노머 (B)를 포함하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물을 개시하고 있다.Korean Patent No. 0534658 discloses a polymer electrolyte composition for a direct methanol fuel cell comprising a perfluoronate-based ionomer (A) having a main chain and a hydrocarbon-based ionomer (B) having a main chain cross-linked.

또한, 한국등록특허 제0746329호에서는 종래의 직접 메탄올 연료전지의 막/전극 접합체(MEA)를 열압착 공정 후에 곧바로 열처리하여 막과 전극간의 계면 접착성을 향상시켜 전지 저항을 저하시키고, 또한 전극 바인더의 용해도 억제 및 기계적 안정성을 향상시켜 전극 내에서 바인더의 안정성을 지속시켜 줌으로서 연료전지의 성능 및 장기 안정성을 향상시킬 수 있는 직접 메탄올 연료전지의 막/전극 접합체의 열처리 방법을 개시하고 있다.Korean Patent No. 0746329 discloses that the membrane / electrode assembly (MEA) of a conventional direct methanol fuel cell is subjected to a heat treatment immediately after the thermocompression process to improve the interfacial adhesion between the membrane and the electrode, thereby lowering the battery resistance, Discloses a heat treatment method of a membrane / electrode assembly of a direct methanol fuel cell capable of improving the performance and long-term stability of a fuel cell by enhancing the solubility inhibition and mechanical stability of the fuel cell and maintaining the stability of the binder in the electrode.

직접 메탄올 연료전지나 고분자 전해질 연료전지의 막/전극 접합체는 촉매와 고분자 용액(ionomer)을 혼합한 전극 슬러리를 코팅하고 열간 압착하는 공정을 사용하여 제조하고 있다. 이러한 기존 방법으로 전극 슬러리를 제조하면 촉매와 이온 교환 고분자 용액을 균일하게 혼합하기 어렵고 연료전지의 전기화학적 반응이 일어나는 반응계면, 즉 3상계면(Triple phase boundary)을 인위적으로 제어하기가 어렵다. 연료전지의 출력 특성을 높이기 위해서는 3상계면의 구조를 인위적으로 제어하여 반응계면을 넓히는 것이 절대적으로 필요하다.Membrane / electrode assemblies of direct methanol fuel cell or polymer electrolyte fuel cell are fabricated by coating and hot pressing an electrode slurry composed of a catalyst and a polymer solution (ionomer). It is difficult to uniformly mix the catalyst and the ion-exchange polymer solution when the electrode slurry is prepared by the conventional method, and it is difficult to artificially control the reaction interface, that is, the triple phase boundary where the electrochemical reaction of the fuel cell occurs. In order to enhance the output characteristics of the fuel cell, it is absolutely necessary to artificially control the structure of the three-phase system to widen the reaction interface.

도 1을 참조하면, 여기서 3상계면이란 연료전지의 수소나 메탄올의 산화반응(HOR)과 산소의 환원반응(ORR)이 일어나는 전기화학적 반응계면 (전해질/촉매/연료(또는 공기)의 접촉면)인데, 3상계면은 연료전지의 전기화학적 반응이 일어나는 위치이므로 연료전지의 성능과 직접적인 관계가 있다. 따라서 연료전지의 성능을 향상시키기 위해서는 3상계면을 제어하여 넓은 반응 계면을 형성시켜야 한다.1, the three-phase system is an electrochemical reaction interface (contact surface of an electrolyte / catalyst / fuel (or air)) in which a hydrogenation reaction (HOR) of a fuel cell or methanol occurs and a reduction reaction (ORR) However, since the three-phase system is a position where the electrochemical reaction of the fuel cell occurs, there is a direct relationship with the performance of the fuel cell. Therefore, in order to improve the performance of the fuel cell, it is necessary to control the three-phase system to form a wide reaction interface.

그러나, 도 2의 수학적 모델(참고 문헌: O'Hayre, J. Electrochemical Society, 152 (2005)에서 개략적으로 나타낸 바와 같이, Pt/C, PtRu/C와 같은 촉매를 촉매층으로 사용하는 저온형 연료전지(DMFC, PEFC)에서는 구형 입자의 응집으로 인하여 Pt/네피온(Nafion)의 접촉면을 제어하기가 어렵다.However, as schematically shown in the mathematical model of FIG. 2 (reference: O'Hayre, J. Electrochemical Society, 152 (2005)), a low temperature type fuel cell using a catalyst such as Pt / C, PtRu / (DMFC, PEFC), it is difficult to control the contact surface of Pt / Nafion due to aggregation of spherical particles.

도 1에 나타낸 바와 같이, 전해질, 카본 담지 백금 촉매 그리고 수소와 메탄올 같은 연료가 동시에 만나는 3상계면에서 수소나 메탄올이 촉매에 의하여 산화되어 수소 이온(proton)으로 되고 이때 전자(e-)가 생성되어 카본 전극으로 전도되고, 3상계면이 형성되는 위치에 있는 백금 촉매는 활성화되지만 3상계면이 형성되지 못하는 위치에 있는 백금 촉매는 불활성화되어 연료전지의 전기화학 반응에 참여하기 어렵게 된다. 즉 3상계면을 이루는 위치에 백금 촉매가 많이 위치하여야 전기화학 반응이 증가할 수 있다.As shown in FIG. 1, in a three-phase system in which an electrolyte, a carbon-supported platinum catalyst, and a fuel such as hydrogen and methanol are simultaneously contacted, hydrogen or methanol is oxidized by the catalyst to form hydrogen ions (proton) The platinum catalyst at the position where the three-phase system is formed is activated but the platinum catalyst at the position where the three-phase system is not formed is inactivated, making it difficult to participate in the electrochemical reaction of the fuel cell. That is, a platinum catalyst is required to be located at a position of the three-phase system to increase the electrochemical reaction.

현재 직접 메탄올 연료전지의 전해질로 사용되고 있는 고분자막은 듀폰(DuPont)사에 의하여 상용화된 네피온이다. 네피온은 불화탄화수소에 술폰산기가 화학적으로 결합되어 있는 형태를 가지고 있다. 네피온 막의 당량 무게는 1100-1500이며 두께는 50-175 ㅅm이고, 1M의 황산 용액과 같은 수소 이온 전도성을 갖는다. 네피온 이온교환막은 산소의 용해도가 크고, 수소 이온 전도도가 크며, 밀도가 낮고, 화학적 안정성 및 기계적 강도가 우수하다는 장점을 가지고 있다. The polymer membrane currently used as the electrolyte of the direct methanol fuel cell is nepion which is commercialized by DuPont. Nepion has a form in which sulfonic acid groups are chemically bonded to fluorohydrocarbons. The equivalent weight of the nepion membrane is 1100-1500, the thickness is 50-175 mm, and it has the same hydrogen ion conductivity as the 1 M sulfuric acid solution. The NEPIONON ion exchange membrane has advantages of high solubility of oxygen, high hydrogen ion conductivity, low density, excellent chemical stability and mechanical strength.

본 발명자들은 종래의 연료전지의 성능을 개선하기 위해 연료전지의 전기화학적 반응이 일어나는 반응계면인 3상계면을 인위적으로 제어하기 위하여 고분자막 표면에 미세 패턴을 형성하는 기술을 연구하였고, 그 결과 고분자 전해질막 표면에 마이크로구조의 패턴을 형성시켜 3상계면을 확대시키는 경우 고분자막과 전극의 반응 면적이 극대화되어 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
In order to improve the performance of a conventional fuel cell, the present inventors studied a technique of forming a fine pattern on the surface of a polymer membrane in order to artificially control a three-phase system, which is a reaction interface at which an electrochemical reaction of a fuel cell takes place. As a result, It has been found that the reaction area of the polymer membrane and the electrode can be maximized to improve the performance of the fuel cell by forming a microstructure pattern on the membrane surface to enlarge the three-phase system surface.

본 발명의 목적은 연료전지의 전기화학적 반응이 일어나는 반응계면인 3상계면(전해질/촉매/연료(또는 공기))을 확대시키기 위하여 고분자 전해질막과 전극의 반응면적을 극대화시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지의 고분자 전해질막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지, 특히 고분자 전해질막을 사용하는 저온형 연료전지인 직접메탄올 연료전지(DMFC)와 고분자 전해질 연료전지(PEFC)를 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to maximize the reaction area of the polymer electrolyte membrane and the electrode in order to enlarge the three-phase system (electrolyte / catalyst / fuel (or air)) which is the reaction interface at which the electrochemical reaction of the fuel cell occurs, A direct methanol fuel cell (DMFC) and a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), which are low-temperature fuel cells using a polymer electrolyte membrane, and a method for producing the polymer electrolyte membrane, will be.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 퍼플루오로설포닐 플루오라이드/티에프이 공중합체 수지(perfluorosulfonylfluoride/TFE copolymer resin)(네피온 수지)를 사용하여 고분자 전해질막을 제조하는 단계; 스탬퍼를 사용하여 상기 고분자 전해질막의 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계 및 상기 고분자 전해질막을 전처리하는 단계를 포함하는 연료전지의 고분자 전해질막의 제조방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing a polymer electrolyte membrane, comprising: preparing a polymer electrolyte membrane using a perfluorosulfonylfluoride / TFE copolymer resin (nepion resin); Forming a fine pattern on a surface of the polymer electrolyte membrane by using a stamper, and pretreating the polymer electrolyte membrane. The present invention also provides a method of manufacturing a polymer electrolyte membrane of a fuel cell.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 표면에 형성된 미세 패턴은 측면 길이가 5~50 ㎛, 간격이 5~50 ㎛이고, 높이가 5~30 ㎛인 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, the fine pattern formed on the surface of the polymer electrolyte membrane preferably has a side length of 5 to 50 mu m, an interval of 5 to 50 mu m, and a height of 5 to 30 mu m.

본 발명에서 상기 고분자 전해질막을 전처리하는 과정은 5-30 중량비의 가성소다(NaOH)와 메탄올(CH3OH)의 혼합용액에서 고분자 전해질막을 처리하는 단계, 증류수로 세척하고 과산화수소로 불순물을 제거하는 단계, 0.1 - 5M 황산(H2SO4) 용액에 넣어 처리하고 증류수로 처리하는 단계, 및 상기 고분자 전해질막을 건조시키는 단계를 수행하여 이루어진다.In the present invention, the process of pretreating the polymer electrolyte membrane comprises treating the polymer electrolyte membrane in a mixed solution of caustic soda (NaOH) and methanol (CH 3 OH) at a weight ratio of 5-30, washing the polymer electrolyte membrane with distilled water and removing impurities with hydrogen peroxide , 0.1-5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution, treating with distilled water, and drying the polyelectrolyte membrane.

또한, 본 발명은 상술한 방법에 따라 제조된 고분자 전해질막을 포함하는 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지를 제공한다.The present invention also provides a membrane / electrode assembly including a polymer electrolyte membrane produced according to the above-described method, and a fuel cell including the membrane / electrode assembly.

본 발명에 따른 고분자 전해질막은 직접 메탄올 연료전지(DMFC)용 고분자 전해질막에 한정되어 적용되는 것이 아니라 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)에도 적용된다.
The polymer electrolyte membrane according to the present invention is applied not only to a polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cell (DMFC) but also to a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using hydrogen as a fuel.

본 발명은 연료전지의 전기화학적 반응이 일어나는 반응계면인 3상계면을 증가시킴으로써 연료전지의 성능을 증가시킬 수 있는 연료전지의 고분자 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지용 막/전극 접합체와 이를 포함하여 종래의 연료전지에 비해 출력 성능이 현저하게 개선된 직접메탄올 연료전지(DMFC)와 고분자 전해질 연료전지(PEFC)를 제공할 수 있다.
The present invention relates to a polymer electrolyte membrane of a fuel cell capable of increasing the performance of a fuel cell by increasing a three-phase system, which is a reaction interface at which an electrochemical reaction of a fuel cell occurs, a membrane / electrode assembly for a fuel cell comprising the same, A direct methanol fuel cell (DMFC) and a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), which have remarkably improved output performance compared to the fuel cell of the present invention, can be provided.

도 1은 연료전지에서 전기화학적 반응이 일어나는 3상계면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 연료전지 3상계면의 4등분 공간 모델(quarter space model)을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제조예에서 제조된 스탬프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 스탬프 2장을 사용하여 고분자 전해질막에 미세 패턴을 형성하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1 및 실시예 1 내지 3에서 패턴이 형성된 네피온 멤브레인의 표면을 촬영한 주사전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 본 발명의 시험예 2에서 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 고분자 전해질막에 촉매 슬러리를 코팅한 후 이의 표면을 촬영한 주사전자 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 고분자 전해질막에 대해 수화처리하기 전과 후의 표면을 촬영한 주사전자 현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 3에서 제조한 직접메탄올 연료전지의 성능을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 3에서 제조한 직접메탄올 연료전지의 임피던스를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 미세 패턴을 형성시킨 고분자 전해질막의 표면적 증가에 따른 전지의 전류 및 출력 증가를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic view showing a three-phase system in which an electrochemical reaction takes place in a fuel cell.
2 is a view showing a quaternary space model of the fuel cell 3 upper limit surface.
3 is a schematic view of a stamp produced in the production example of the present invention.
4 is a schematic view illustrating a process of forming a fine pattern on a polymer electrolyte membrane using two stamps in an embodiment of the present invention.
5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of a nepion membrane having a pattern formed in Comparative Example 1 and Examples 1 to 3 of the present invention.
6 is a scanning electron microscope (SEM) image of a surface of a polymer electrolyte membrane prepared in Example 1 and Comparative Example 1 after coating a catalyst slurry in Test Example 2 of the present invention.
7 is a scanning electron microscope (SEM) image of the surface of the polyelectrolyte membrane prepared in Example 1 and Comparative Example 1 before and after hydration.
8 is a graph showing the results of measurement of the performance of the direct methanol fuel cell manufactured in Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 of the present invention.
9 is a graph showing the impedances of the direct methanol fuel cells manufactured in Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 of the present invention.
10 is a graph showing current and output increase of a battery according to an increase in surface area of a polymer electrolyte membrane in which fine patterns are formed in Examples 1 to 3 of the present invention.

이하 본 발명에 따른 연료전지의 고분자 전해질막의 제조방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method for producing a polymer electrolyte membrane of a fuel cell according to the present invention will be described in detail.

우선, 네피온 수지를 사용하여 고분자 전해질막을 제조한다.First, a polyelectrolyte membrane is prepared using a nepionine resin.

시중에서 구입할 수 있는 네피온 수지를 사용하여 고분자 전해질막을 제조하며, 이와 같이 네피온 수지를 사용하여 고분자 전해질막을 제조하는 방법은 당업자에게 공지된 것이다(예를 들어, 미국등록특허 제6,180,276호 참조).Methods for producing a polymer electrolyte membrane using a commercially available nepheline resin and manufacturing a polymer electrolyte membrane using the nepion resin are known to those skilled in the art (see, for example, U.S. Patent No. 6,180,276) .

직접 메탄올 연료전지는 전해질로 수소 이온을 전달하는 고분자 이온 교환막을 사용한다. 고분자 전해질막은 연료극과 공기극 사이에서 수소 이온의 전달체 역할을 하는 동시에 연료와 산소가 서로 분리되도록 하는 분리막 역할을 한다. 따라서 고분자 전해질막은 수소 이온 전도성이 높아야 하는 대신 전자 전도성이 낮아야 하고, 이온의 이동에 비하여 반응 기체나 연료의 이동은 적어야 하며 기계적, 화학적 안정성이 높아야 한다.Direct methanol fuel cells use a polymer ion exchange membrane that transfers hydrogen ions to the electrolyte. The polymer electrolyte membrane acts as a separator for separating the fuel and oxygen from each other while acting as a carrier of hydrogen ions between the fuel electrode and the air electrode. Therefore, the polymer electrolyte membrane should have high hydrogen ion conductivity, low electron conductivity, less reactive gas or fuel transfer, and high mechanical and chemical stability.

현재 직접 메탄올 연료전지의 전해질로 가장 많이 사용되고 있는 고분자 전해질막은 DuPont사에서 시판되는 네피온으로 무결정 고분자로서 고분자 사슬이 선형 구조를 가지는 선형 고분자이다. 크게 소수성 부분인 불소로 치환된 고분자 주쇄와 친수성 부분인 이온상으로 분리되어 있는 구조, 즉 플루오르탄소의 결정 영역, 친수성인 이온 결합체, 무결정의 소수성 영역의 3상이 존재하는 구조로 이루어져 있다Polymer electrolyte membranes, which are the most widely used electrolytes for direct methanol fuel cells, are nepionine non-crystalline polymers commercially available from DuPont, and linear polymers having a linear polymer chain. A structure in which a polymer main chain substituted by fluorine, which is a hydrophobic part, is separated into an ion phase which is a hydrophilic part, that is, a structure in which three phases of a crystal region of fluorocarbon, a hydrophilic ionic binder, and a definite hydrophobic region are present

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 네피온 수지를 사용하는 고분자 전해질막을 제조하는 방법은 성형용 프레임이나 롤링 장치에 네피온 수지를 넣고 200-250℃의 온도에서 핫-프레싱 또는 롤링 공정으로 고분자 전해질막을 제조할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a method for producing a polymer electrolyte membrane using a nepionic acid resin is a method in which a nepheionic resin is put into a molding frame or a rolling apparatus and heated at 200-250 [deg.] C in a hot- A membrane can be produced.

다음으로, 상기 고분자 전해질막의 표면에 미세 패턴을 형성한다.Next, a fine pattern is formed on the surface of the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 표면에 미세 패턴을 형성하기 위한 스탬퍼는 측면 길이가 5~50 ㎛, 간격이 5~50 ㎛이고, 높이가 5~30 ㎛의 패턴 가공이 가능한 포토리소그래피 방법을 이용하여 제조될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the stamper for forming a fine pattern on the surface of the polymer electrolyte membrane may be patterned with a side length of 5 to 50 mu m, a gap of 5 to 50 mu m, and a height of 5 to 30 mu m Can be produced by using a photolithography method.

상술한 바와 같은 스탬퍼 2장 사이에 고분자 전해질막을 넣고 100-130℃ 조건에서 핫-프레싱하여 고분자 전해질막의 표면에 미세 패턴을 형성한다.A polymer electrolyte membrane is placed between two stamper sheets as described above, and hot-pressed at 100-130 占 폚 to form a fine pattern on the surface of the polymer electrolyte membrane.

상술한 스탬프는 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane, PDMS)를 사용하여 1차 스탬퍼(negative stamp)를 제작하고 이를 다시 PDMS로 2차 스탬프(positive stamp)로 제작하여 고분자 전해질막의 표면에 미세 패턴을 형성하는 최종 스탬프로도 사용할 수 있다. 이러한 1, 2차 스탬프 재료로는 PDMS 이외의 다른 몰딩용 실리콘 엘라스토머, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리스타일렌(PS), 디벤조릴퍼옥사이드(BPO), 에폭시 등을 사용할 수도 있다. 또한 cellulose film으로 표면을 복제한 후에 전기도금(electroplating)법으로 2차 스탬프를 제작하는 방법도 적용할 수 있다.The above-mentioned stamp is prepared by forming a first stamp using polydimethylsiloxane (PDMS) and then forming a second stamp with PDMS to form a fine pattern on the surface of the polymer electrolyte membrane It can also be used as a stamp. As the first and second stamp materials, molding silicone elastomers other than PDMS, polyethylene oxide (PEO), polyvinyl alcohol (PVA), polystyrene (PS), dibenzyl peroxide (BPO) have. It is also possible to fabricate a second stamp by electroplating after duplicating the surface with a cellulose film.

스팸퍼 사이에 고분자 전해질막에 넣고 핫-프레싱하는 과정에서의 온도 및 압력은 당업자에 의해 적절하게 조절될 수 있다.The temperature and pressure in the process of putting into the polymer electrolyte membrane between the spamper and hot-pressing can be appropriately controlled by those skilled in the art.

상술한 과정에 따라 고분자 전해질막의 표면에는 측면 길이가 5~50 ㎛, 간격이 5~50 ㎛이고, 높이가 5~30 ㎛인 미세 패턴이 형성되고 전기화학적 반응이 일어나는 3상계면을 증가시켜 연료전지의 성능을 개선시킬 수 있다.According to the above-described process, a fine pattern having a side length of 5 to 50 μm, an interval of 5 to 50 μm and a height of 5 to 30 μm is formed on the surface of the polymer electrolyte membrane, and a three-phase system in which an electrochemical reaction occurs is increased, The performance of the battery can be improved.

본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 표면에 미세 패턴을 형성하기 위한 스탬프 대신에 5~50 ㎛ 크기의 미세한 망목 구조(체눈)로 이루어진 스크린 프린팅용 망(sieve)을 사용할 수도 있다. 또한 스탬프 대신에 원형 롤러(roller)에 미세 패턴 혹은 망목 구조를 형성하여 상하 2쌍으로 구성된 핫 롤러 시스템을 사용하여 롤러 사이로 고분자 전해질막을 통과시키면 고분자막 상하 표면에 미세 패턴을 연속 공정으로 형성시킬 수 있다.In another embodiment of the present invention, it is possible to use a sieve for screen printing having a fine mesh structure (shed) having a size of 5 to 50 μm instead of a stamp for forming a fine pattern on the surface of the polymer electrolyte membrane. In addition, fine patterns or network structures may be formed on circular rollers instead of stamps, and fine patterns may be formed on the upper and lower surfaces of the polymer membrane by a continuous process by passing the polymer electrolyte membrane through the rollers using a hot roller system composed of two pairs of upper and lower pairs .

이후, 고분자 전해질막을 사용하여 막/전극 접합체를 제조하기 위해 전처리 과정을 수행한다.Thereafter, a pretreatment process is performed to produce a membrane / electrode assembly using a polymer electrolyte membrane.

패턴이 형성된 불화물 형태인 고분자막은 수소 이온 전도가 가능한 H+ 형태로 전환하여야 한다.The patterned fluoride polymer membrane should be converted to H + form capable of conducting hydrogen ions.

본 발명에서 고분자 전해질막을 전처리하는 과정은 5-30 중량비의 가성소다(NaOH)와 메탄올(CH3OH)의 혼합용액에서 고분자 전해질막을 처리하는 단계, 증류수로 세척하고 불순물을 제거하는 단계, 0.1-5M 황산(H2SO4) 용액에 넣어 처리하고 증류수로 처리하는 단계, 및 상기 고분자 전해질막을 건조시키는 단계를 거쳐 이루어진다.In the present invention, the process of pretreating the polymer electrolyte membrane comprises treating the polymer electrolyte membrane in a mixed solution of caustic soda (NaOH) and methanol (CH 3 OH) in a weight ratio of 5-30, washing with distilled water to remove impurities, 5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution, treating with distilled water, and drying the polymer electrolyte membrane.

상술한 방법에 따라 제조된 연료전지용 고분자 전해질막과 기체확산층을 사용하여 막/전극 접합체를 제조한다.A membrane / electrode assembly is manufactured using the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer for a fuel cell manufactured according to the above-described method.

본 발명에서는 고분자 전해질막 표면에 직접 코팅하는 방법인 CCM(Catalyst Coated Membrane) 방식으로 고온의 플레이트 위에서 촉매 슬러리를 브러싱, 스프레이 방법 등으로 코팅할 수 있으며, 스프레이 방법을 사용하는 것이 고분자 전해질막 표면에 생성시킨 패턴의 효과를 더 크게 볼 수 있다.In the present invention, a catalyst slurry can be coated on a plate of a high temperature by a brushing and spraying method using a CCM (Catalyst Coated Membrane) method, which is a method of directly coating the surface of a polymer electrolyte membrane, and a spray method is used on the surface of a polymer electrolyte membrane The effect of the generated pattern can be seen larger.

본 발명에서 사용하는 촉매 슬러리는 백금 촉매, 네피온 용액, 에탄올 및 증류수를 포함한다. 촉매 슬러리의 용매로는 비점이 낮은 에탄올이나 이소프로필 알코올 등을 사용하고 플레이트 온도를 대략 100-120 ℃로 설정함으로써 코팅과정에서 슬러리에 포함된 물이나 알콜 등의 용매가 고분자 전해질막 표면에 닿자마자 바로 증발하도록 하면 막 표면이 일그러져 코팅된 촉매층이 갈라지거나 떨어지는 현상을 방지할 수 있다.The catalyst slurry used in the present invention includes platinum catalyst, nepionine solution, ethanol, and distilled water. As the solvent of the catalyst slurry, ethanol or isopropyl alcohol having a low boiling point is used, and the plate temperature is set to about 100-120 ° C. As soon as the solvent such as water or alcohol contained in the slurry reaches the surface of the polymer electrolyte membrane If the catalyst layer is evaporated immediately, the surface of the membrane may be distorted to prevent the coated catalyst layer from cracking or falling.

상기 고분자 전해질막 표면에 촉매 슬러리를 코팅하고 고분자 전해질막을 핫-프레싱한 후 막/전극 접합체를 제조한다.The catalyst slurry is coated on the surface of the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte membrane is hot-pressed to prepare a membrane / electrode assembly.

또한, 본 발명은 상기 막/전극 접합체를 사용하여 제조된 연료전지를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell manufactured using the membrane / electrode assembly.

본 발명에서와 같이 고분자 전해질막 표면에 패턴을 형성하여 연료전지의 성능을 10∼30% 정도 향상시킬 수 있는 것은 동일한 성능 값을 얻기 위해 필요한 백금(Pt) 촉매의 양을 생각해본다면, 연료전지의 실용화 중 가장 큰 장벽인 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
If the amount of the platinum (Pt) catalyst required to obtain the same performance value is considered in the present invention, the performance of the fuel cell can be improved by about 10 to 30% by forming a pattern on the surface of the polymer electrolyte membrane. It can secure price competitiveness, which is the biggest obstacle to commercialization.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.

실시예Example

제조예: 스탬퍼 제조Manufacturing Example: Manufacturing of Stamper

고분자막 표면에 패턴을 형성하는데 필요한 패턴 형성 스탬퍼를 패턴 가공이 가능한 포토리소그래피 방법을 이용하여 제조하였다. 패턴은 스테인레스 플레이트 위에 사각형 형태의 패턴을 미세 가공하는 것으로 사각형 패턴의 가로(=세로) 길이, 간격 및 높이는 각각 (a) 45 ㎛, 50 ㎛, 20 ㎛, (b) 30 ㎛, 45 ㎛, 25 ㎛, (c) 24 ㎛, 20 ㎛, 20 ㎛로 달리하여 3가지 스템프를 제조하였다. 포토리소그래피방법으로 제작한 스탬퍼의 개략도를 도 4에 나타내었다.
A pattern forming stamper necessary for forming a pattern on the surface of a polymer membrane was manufactured by using a photolithography method capable of pattern processing. (A) 45 μm, 50 μm and 20 μm, (b) 30 μm, 45 μm and 25 μm, respectively, in the rectangular patterns. (C) 24 탆, 20 탆 and 20 탆, respectively. A schematic view of the stamper manufactured by the photolithography method is shown in Fig.

실시예 1Example 1

(1) 고분자 전해질막의 제조(1) Production of a polymer electrolyte membrane

퍼플루오로설포닐 플루오라이드/티에프이 공중합체 수지 (네피온 수지)를 200-250℃의 온도에서 핫-프레싱 또는 롤링 공정으로 두께가 약 100-130 ㎛인 고분자 전해질막을 제작하였다. 7x7 cm2 성형 프레임에 네피온 수지를 1.26 g 넣고 8 MPa의 압력으로 온도 200-250℃에서 1분간 핫-프레싱하여 고분자 이온교환막을 제조하였다. 상기 고분자 전해질막 표면에 패턴을 형성하기 위하여 (a) 45 ㎛, 50 ㎛, 20 ㎛의 미세 패턴이 형성된 스탬퍼 2장 사이에 네피온 수지로 제조한 고분자 전해질막을 넣고 5 MPa, 100-130℃ 조건에서 1분 동안 핫-프레싱하였다.Perfluorosulfonyl fluoride / TFE copolymer resin (nepion resin) was prepared by hot-pressing or rolling at a temperature of 200-250 占 폚 to form a polymer electrolyte membrane having a thickness of about 100-130 占 퐉. 7 x 7 cm 2 1.26 g of nepionic acid resin was put into a molding frame and hot-pressed at a pressure of 8 MPa and a temperature of 200-250 ° C for 1 minute to prepare a polymer ion exchange membrane. In order to form a pattern on the surface of the polymer electrolyte membrane, (a) a polymer electrolyte membrane made of nepheionic resin was inserted between two stamper plates formed with fine patterns of 45 μm, 50 μm and 20 μm, Lt; / RTI > for 1 minute.

이후 상기 고분자 전해질막을 부피비가 20% 가성소다 : 메탄올 = 2 : 1 (부피비)인 용액에 90℃에서 7시간 동안 처리하였다. 그 다음 증류수로 세척한 후, 고분자막의 유기 불순물을 제거하기 위해 5% 과산화수소 용액에 넣고 80℃에서 1 시간 동안 처리하였다. 그리고 증류수로 80℃에서 1시간 동안 처리 한 후 0.1-5M 황산 용액에 고분자막을 넣고 80℃에서 1시간 동안 처리하였다. 그 다음 다시 증류수로 세척하였다. 마지막으로 코팅할 때 흡수되어 있는 수분에 의하여 고분자막의 표면이 주름지지 않도록 고분자막에 흡수되어 있는 수분을 제거하였다. 이 과정에서 미세 패턴이 형성된 고분자막을 다공성 카본 플레이트 사이에 넣고 진공 오븐에서 60℃, 24 시간 동안 건조시켰다.
Then, the polymer electrolyte membrane was treated with a solution having a volume ratio of 20% caustic soda: methanol = 2: 1 (volume ratio) at 90 캜 for 7 hours. After washing with distilled water, 5% hydrogen peroxide And treated at 80 ° C for 1 hour. After treating with distilled water at 80 ° C for 1 hour, the polymer membrane was added to 0.1-5M sulfuric acid solution and treated at 80 ° C for 1 hour. It was then washed again with distilled water. Finally, moisture absorbed in the polymer membrane was removed so that the surface of the polymer membrane was not corroded by the water absorbed at the time of coating. In this process, the polymer membrane having the fine pattern formed thereon was placed between the porous carbon plates and dried in a vacuum oven at 60 DEG C for 24 hours.

(2) 막/전극 접합체의 제조(2) Preparation of membrane / electrode assembly

유효전극 면적은 9cm2 (3ㅧ3cm)이며, 고분자막 표면에 직접 코팅하는 방법인 CCM 방식으로 100-120℃ 플레이트 위에서 촉매 슬러리를 브러싱(brushing) 방법으로 코팅하였다. 코팅과정에서 슬러리에 포함된 물이나 알콜 등의 용매가 고분자막 표면에 닿으면 막 표면이 일그러져 코팅된 촉매층이 갈라지거나 떨어지는 것 볼 수 있었다. 그래서 촉매 슬러리의 용매로는 비점이 낮은 에탄올을 선택하였고 플레이트 온도를 100-120℃로 해주었다. 이때 플레이트의 온도가 높아도 용매가 닿고 난 후, 용매가 전부 증발하기 전까지는 용매로 인하여 고분자막이 일그러지기 때문에 샬레에 단단히 고정시켰다. 그 과정은 다음과 같이 고분자막의 가장자리에 켑톤 양면테이프로 고정 시킨 다음, 에탄올을 고분자막에 소량 발라주어 에탄올이 증발할 때 발생하는 반데르 발스힘을 이용하여 단단히 고정하였다. 촉매 슬러리는 촉매, 10wt% 네피온 용액(DuPont), 에탄올, 증류수로 구성되었다. 촉매는 애노드와 캐소드를 각각 Johnson Matthey 12100, 13100을 사용하였으며, 백금 촉매 담지량은 2mg Pt/cm2으로 하였다. 코팅 후에는 고분자 전해질막만을 온도 150℃와 압력 3 MPa로 핫-프레싱해 주었다. 마지막으로 코팅된 고분자막과 기체확산층을 사용하여 막/전극 접합체를 제조하였다. 기체 확산층으로는 발수 처리된 연료극과 공기극용 Toray 060과 SGL 25BC를 각각 사용하였다.
The effective electrode area was 9 cm 2 (3 cm 3 cm), and the catalyst slurry was coated by a brushing method on a plate of 100-120 ° C by a CCM method of coating directly on the surface of the polymer membrane. In the coating process, when the solvent such as water or alcohol contained in the slurry contacts the surface of the polymer membrane, the film surface is distorted and the coated catalyst layer is cracked or dropped. Therefore, ethanol with low boiling point was selected as a solvent for the catalyst slurry and the plate temperature was set at 100-120 ° C. At this time, even if the temperature of the plate is high, the polymer is firmly fixed to the chalet after the solvent is contacted and the polymer membrane is distorted by the solvent until the solvent is completely evaporated. The process was fixed with a double-sided adhesive tape on the edge of the polymer membrane as shown below, and a small amount of ethanol was applied to the polymer membrane to securely fix the membrane using van der Waals force generated when the ethanol evaporated. The catalyst slurry consisted of catalyst, 10 wt% nepion solution (DuPont), ethanol, and distilled water. Johnson Matthey 12100 and 13100 were used as the anode and cathode, respectively, and the platinum catalyst loading was 2 mg Pt / cm 2 . After coating, only the polymer electrolyte membrane was hot-pressed at a temperature of 150 ° C and a pressure of 3 MPa. Finally, a membrane / electrode assembly was fabricated using coated polymer membrane and gas diffusion layer. As the gas diffusion layer, water repellent treated anode and Toray 060 and SGL 25BC for air electrode were used, respectively.

(3) 직접 메탄올 연료전지의 제조(3) Production of direct methanol fuel cell

상기 막/전극 접합체를 사용하여, 연료극과 공기극 쪽에 각각 150 ㎛, 180 ㎛인 테프론 가스켓을 사용하여 직접메탄올 연료전지를 제조하였다.
Using this membrane / electrode assembly, a direct methanol fuel cell was fabricated by using a Teflon gasket of 150 mu m and 180 mu m on the anode and the cathode, respectively.

실시예 2 내지 3Examples 2 to 3

각각 (b) 30 ㎛, 45 ㎛, 25 ㎛ 및 (c) 24 ㎛, 20 ㎛, 20 ㎛의 미세 패턴 크기가 형성된 스팸퍼를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
(B) 30 μm, 45 μm and 25 μm, and (c) 24 μm, 20 μm and 20 μm, respectively.

비교예 1Comparative Example 1

고분자 전해질막으로 듀폰(DuPont)사에서 시판하는 Nafion-115 멤브레인에 45 ㎛, 50 ㎛, 20 ㎛ 크기의 미세 패턴을 형성시켜서 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that fine patterns of 45 탆, 50 탆 and 20 탆 in size were formed on a Nafion-115 membrane commercially available from DuPont as a polymer electrolyte membrane.

비교예 2Comparative Example 2

고분자 전해질막으로 듀폰사에서 시판하는 Nafion-115 멤브레인의 표면을 사포로 스크래치를 형성한 고분자 전해질막을 사용한 것을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out using a polymer electrolyte membrane on which a surface of a Nafion-115 membrane commercially available from DuPont as a polymer electrolyte membrane was subjected to a sandpaper scratch.

비교예 3Comparative Example 3

퍼플루오로설포닐 플루오라이드/티에프이 공중합체 수지 (네피온 수지)로 제조한 고분자 전해질막을 표면처리하지 않고 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that the polyelectrolyte membrane prepared from the perfluorosulfonyl fluoride / TFE copolymer resin (nepion resin) was used without surface treatment.

시험예 1: 고분자 전해질막의 표면적 측정Test Example 1: Measurement of surface area of a polymer electrolyte membrane

비교예 1에서 미세 패턴이 형성된 Nafion-115 멤브레인(도 5 의 (a)), 실시예 1 내지 3에서 네피온 수지로 제조된 고분자 전해질막(도 5 의 (a) 내지 (d))의 표면에 대해 주사전자현미경 사진을 촬영하여 도 5에 나타내었다.(Fig. 5A) in which a fine pattern was formed in Comparative Example 1 (Fig. 5A), and the surface of the polymer electrolyte membrane (Fig. 5A to 5D) made of nepion resin in Examples 1 to 3 Was photographed by scanning electron microscope and is shown in Fig.

도 5를 참조하면, 실시예 1 내지 3에서와 같이 스탬퍼를 사용하여 고분자 전해질막 표면에 형성시킨 미세 패턴으로 인하여 패턴이 없는 평탄한 멤브레인(Nafion-115 멤브레인)과 비교하였을 때, 실시예 1 내지 3의 고분자 전해질막의 표면적이 각각 39.8%, 53.3% 및 99.1% 증가하였다.
Referring to FIG. 5, when compared with a patterned flat membrane (Nafion-115 membrane) due to a fine pattern formed on the surface of a polymer electrolyte membrane using a stamper as in Examples 1 to 3, Of the polymer electrolyte membrane increased by 39.8%, 53.3% and 99.1%, respectively.

시험예 2: 용매에 대한 고분자 전해질막의 특성 측정Test Example 2: Characterization of polymer electrolyte membrane for solvent

실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 고분자 전해질막을 상기 촉매 슬러리로 코팅한 후의 성능을 테스트하여 고분자 전해질막 표면의 패턴이 유지되었는지를 실험하였다.The performance of the polymer electrolyte membrane prepared in Example 1 and Comparative Example 1 after coating with the catalyst slurry was tested to test whether the pattern of the surface of the polymer electrolyte membrane was maintained.

도 6을 참조하면, 비교예 1에서 제조된 상용 고분자 전해질막의 패턴은 한쪽은 유지되고 있으나 다른 한쪽은 패턴이 유실되었고, 반면에 실시예 1의 네피온 수지로 제조한 고분자 전해질막의 패턴은 양쪽 다 그대로 유지되고 있었다.Referring to FIG. 6, the pattern of the commercial polymer electrolyte membrane prepared in Comparative Example 1 was retained on one side while the pattern on the other side was lost. On the other hand, the pattern of the polymer electrolyte membrane made of the naphthol resin of Example 1 was both It was maintained.

또한, 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 고분자 전해질막을 수화처리하기 전과 후의 표면을 주자전자현미경을 이용하여 촬영하였고 실시예 1의 고분자 전해질막의 패턴의 평면 및 단면을 도 7의 (a) 및 (c)에 나타내었고, 비교예 1의 고분자 전해질막의 패턴의 평면 및 단면을 도 7의 (b) 및 (d)에 나타내었다.The surface of the polyelectrolyte membrane prepared in Example 1 and Comparative Example 1 before and after the hydration treatment was photographed using a luminescence microscope and the plane and cross section of the pattern of the polymer electrolyte membrane of Example 1 are shown in Figs. (c), and the plan and cross-sectional views of the pattern of the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 1 are shown in Figs. 7 (b) and 7 (d).

도 7의 (a)와 (c)에 도시한 패턴은 가로(=세로) 길이와 높이가 각각 45 ㎛와 20 ㎛가 유지되고 있으나, 도 7의 (b)와 (d)에 도시한 패턴은 가로(=세로) 길이와 높이가 각각 42 ㎛와 10 ㎛로 원래 패턴의 크기보다 적고, 특히 높이가 50% 이상 낮아진 것을 알 수 있었다. The patterns shown in FIGS. 7A and 7C have a length (length) of 45 μm and a height of 20 μm, respectively. However, the patterns shown in FIGS. 7B and 7D It was found that the length (length) and the height were 42 ㎛ and 10 ㎛, respectively, which were smaller than the original pattern size, and in particular, the height was lowered by 50% or more.

도 6 및 도 7을 참조하면, 고온에서 기계적인 힘을 가하여 패턴을 형성시킨 상용 네피온 멤브레인은 물이나 알콜과 같은 용매가 흡수되면 팽창하여 변형과 더불어 원래의 평평한 형상으로 회복하려는 회복현상이 발생하기 때문에 원래의 패턴 크기를 유지시키기가 어려웠다. 즉 상용 네피온 멤브레인에 패턴을 형성하는 것은 압력과 온도를 가해 일시적으로 형성된 것이나, 본 발명에서와 같이 네피온 수지로 제조한 고분자 전해질막에 패턴을 형성하는 경우에는 물이나 용매로 처리하여도 패턴이 유지될 수 있음을 알 수 있다.
6 and 7, when a solvent such as water or alcohol is absorbed, a commercial Nepion membrane having a pattern formed by applying a mechanical force at a high temperature expands, and a recovery phenomenon to recover the original flat shape occurs It was difficult to maintain the original pattern size. That is, the formation of the pattern on the commercial NEPION membrane is temporarily formed by applying the pressure and the temperature. However, when the pattern is formed on the polymer electrolyte membrane made of the nepionic resin as in the present invention, Can be maintained.

시험예 3: 직접메탄올 연료전지의 성능 비교Test Example 3: Performance comparison of direct methanol fuel cell

실시예 1 내지 3 및 비교예 3에서 제조한 고분자막의 패턴 크기와 표면적비를 비롯하여 이를 사용한 직접메탄올 연료전지의 성능(전압, 전류밀도, 전력밀도)을 측정하여 표 1 및 도 8에 나타내었다.The performance (voltage, current density, power density) of the direct methanol fuel cell using the pattern size and surface area ratio of the polymer membrane prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 was measured and shown in Table 1 and FIG.

비교예 3Comparative Example 3 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 형성된 패턴 크기
(폭/간격/높이)[㎛]
Pattern size formed
(Width / interval / height) [占 퐉]
nonenone 45/50/2045/50/20 30/45/2530/45/25 24/20/2024/20/20
전력밀도 (0.4V) (mA/cm2)Power density (0.4V) (mA / cm 2 ) 219219 225225 240240 260260 출력밀도 (0.4V) (mW/cm2) Output Density (0.4V) (mW / cm 2 ) 8787 8989 9393 103103 최고 출력밀도
(mW/cm2)
Maximum power density
(mW / cm 2 )
9898 108108 110110 118118
표면적 비(Age/A0)The surface area ratio (A ge / A 0 ) 1.01.0 1.391.39 1.531.53 1.991.99

표 1 및 도 8을 참조하면, 미세 패턴을 넣지 않은 네피온 수지 제조 고분자 전해질막을 사용한 비교예 3에서 제조된 직접메탄올 연료전지의 성능은 0.4V를 기준으로 하였을 때 219mA/cm2인 반면 미세 패턴이 형성된 고분자 전해질막을 사용한 실시예 1 내지 3에서 제조된 직접메탄올 연료전지의 성능은 225∼260mA/cm2이었다. 고분자 전해질막에 미세 패턴을 형성시켜줌으로써 연료전지는 이와 같이 10∼20%의 성능 증가를 보였다. 이러한 고분자 전해질막을 사용한 연료전지의 성능 증가 원인을 교류 임피던스법을 이용하여 저항을 측정함으로 분석하였다.Referring to Table 1 and FIG. 8, the performance of the direct methanol fuel cell manufactured in Comparative Example 3 using the nepheline resin-made polyelectrolyte membrane having no fine pattern was 219 mA / cm 2 based on 0.4 V, The performance of the direct methanol fuel cell manufactured in Examples 1 to 3 using the formed polymer electrolyte membrane was 225 to 260 mA / cm 2 . By forming a fine pattern on the polymer electrolyte membrane, the performance of the fuel cell was improved by 10 to 20%. The increase in the performance of the fuel cell using the polymer electrolyte membrane was analyzed by measuring the resistance using the AC impedance method.

도 9는 실시예 1 내지 3 및 비교예 3에서 제조한 직접메탄올 연료전지의 임피던스를 1.35A에서 측정하여 얻을 결과를 나타낸 것이다. 도 9를 참조하면, x축이 0일 때 그래프와 만나는 지점인 ohmic 저항값이 표면적이 증가함에 따라 감소되는 것을 볼 수 있다. 이것은 고분자 전해질막의 표면에 패턴을 넣음으로써 촉매와 접촉하는 고분자 전해질막의 표면적이 증가(최대 99% 증가)했기 때문에 성능이 증가한 것으로 판단된다. 즉 3상계면이 증가하였기 때문으로 판단된다. 또한 표면적이 증가함에 따라 분극저항 값도 감소하는 것을 볼 수 있다. 이것은 표면적이 증가하여 더 많은 전기화학반응이 일어나 성능이 증가한 것으로 판단된다.FIG. 9 shows the results obtained by measuring the impedance of the direct methanol fuel cell prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 at 1.35 A. FIG. Referring to FIG. 9, it can be seen that the ohmic resistance value at the point where the graph meets the x-axis is 0, as the surface area increases. This is because the surface area of the polymer electrolyte membrane in contact with the catalyst is increased (up to 99% increase) by putting the pattern on the surface of the polymer electrolyte membrane. That is, it is judged that the three-phase system is increased. Also, as the surface area increases, the polarization resistance value decreases. It is considered that the surface area is increased and the performance is increased due to more electrochemical reaction.

도 10을 참조하면, 실시예 1 내지 3에서 미세 패턴을 형성시킨 고분자 전해질막을 이용한 직접메탄올 연료전지는 표면적이 증가하면 전류 및 출력 밀도가 증가하는데, 표면적이 99% 정도 증가하면 0.4V 기준으로 전류밀도는 20%, 출력밀도는 22%가 증가한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 10, in the direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane in which the fine patterns are formed in Examples 1 to 3, the current and the output density are increased when the surface area is increased. When the surface area is increased by about 99% The density is increased by 20%, and the output density is increased by 22%.

Claims (14)

퍼플루오로설포닐 플루오라이드/티에프이 공중합체 수지를 사용하여 고분자 전해질막을 제조하는 단계;
스탬퍼, 스크린 프린터용 망 또는 열간 롤러 시스템을 사용하여 상기 고분자 전해질막의 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 고분자 전해질막을 전처리하는 단계;
를 포함하는 연료전지의 고분자 전해질막의 제조방법.
Preparing a polymer electrolyte membrane using a perfluorosulfonyl fluoride / TFE copolymer resin;
Forming a fine pattern on a surface of the polymer electrolyte membrane using a stamper, a screen printer network, or a hot roller system; And
Pre-treating the polymer electrolyte membrane;
Wherein the polymer electrolyte membrane of the fuel cell comprises a polymer electrolyte membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 고분자 전해질막의 표면에 형성된 미세 패턴의 크기는 측면 길이가 5~50 ㎛, 간격이 5~50 ㎛이고, 높이가 5~30 ㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지의 고분자 전해질막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the fine pattern formed on the surface of the polymer electrolyte membrane has a side length of 5 to 50 탆, an interval of 5 to 50 탆, and a height of 5 to 30 탆.
제 1 항에 있어서,
상기 고분자 전해질막의 표면에 미세 패턴은 5~50 ㎛ 크기의 미세한 망목 구조로 이루어진 스크린 프린팅용 망을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 고분자 전해질막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the fine pattern on the surface of the polymer electrolyte membrane is formed using a net for screen printing having a fine mesh structure having a size of 5 to 50 占 퐉.
제 1 항에 있어서,
상기 고분자 전해질막의 표면에 미세 패턴은 상하 2쌍의 원형 롤러의 표면에 미세 패턴이 형성된 열간 롤러 시스템을 사용하여 롤러 사이로 고분자 전해질막을 통과시키면 고분자 전해질막 상하 표면에 미세 패턴을 연속 공정으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 고분자 전해질막의 제조방법.
The method according to claim 1,
The fine pattern on the surface of the polymer electrolyte membrane is formed by passing a polymer electrolyte membrane between rollers using a hot roller system having fine patterns on the surface of two pairs of upper and lower circular rollers to form fine patterns on the upper and lower surfaces of the polymer electrolyte membrane in a continuous process Wherein the polymer electrolyte membrane of the fuel cell is produced by the method.
제 1 항에 있어서,
상기 스탬프는 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 엘라스토머, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리스타일렌(PS), 디벤조릴퍼옥사이드(BPO) 및 에폭시로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 고분자 전해질막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the stamp comprises a material selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), silicone elastomer, polyethylene oxide (PEO), polyvinyl alcohol (PVA), polystyrene (PS), dibenzyl peroxide (BPO) Wherein the polymer electrolyte membrane is formed on the surface of the polymer electrolyte membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 고분자 전해질막을 전처리하는 과정은 5-30 중량비의 가성소다와 메탄올의 혼합용액에서 고분자 전해질막을 처리하는 단계, 증류수로 세척하고 불순물을 제거하는 단계, 0.1-5M 황산 용액에 넣어 처리하고 증류수로 처리하는 단계, 및 상기 고분자 전해질막을 건조시키는 단계를 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 고분자 전해질막의 제조방법.
The method according to claim 1,
The process of pretreating the polymer electrolyte membrane comprises treating the polymer electrolyte membrane in a mixed solution of caustic soda and methanol at a weight ratio of 5-30, washing with distilled water and removing impurities, treating the polymer electrolyte membrane with 0.1-5 M sulfuric acid solution and treating with distilled water And drying the polymer electrolyte membrane. The method of manufacturing a polymer electrolyte membrane of a fuel cell according to claim 1,
제 1 항에 있어서,
상기 고분자 전해질막은 수소 이온을 전달하는 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막인 것을 특징으로 하는 연료전지의 고분자 전해질막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell that transfers hydrogen ions.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따라 제조된 연료전지용 고분자 전해질막.
A polymer electrolyte membrane for a fuel cell produced according to any one of claims 1 to 7.
제 8 항에 따른 고분자 전해질막 표면에 촉매 슬러리를 코팅하는 단계를 포함하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
A method for manufacturing a membrane / electrode assembly for a fuel cell, comprising: coating a surface of a polymer electrolyte membrane according to claim 8 with a catalyst slurry.
제 9 항에 있어서,
상기 촉매 슬러리는 백금 촉매, 네피온 용액, 에탄올 및 증류수를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the catalyst slurry comprises a platinum catalyst, a nepion solution, ethanol, and distilled water.
제 9 항에 있어서,
상기 고분자 전해질막 표면에 촉매 슬러리를 코팅하고 고분자 전해질막을 핫-프레싱하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the catalyst slurry is coated on the surface of the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte membrane is hot-pressed.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따라 제조된 연료전지용 막/전극 접합체.
11. A membrane / electrode assembly for a fuel cell produced according to any one of claims 9 to 11.
제 12 항에 따른 연료전지용 막/전극 접합체를 포함하는 연료전지.
13. A fuel cell comprising the membrane / electrode assembly for a fuel cell according to claim 12.
제 13 항에 있어서,
직접메탄올 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지.
14. The method of claim 13,
Wherein the direct methanol fuel cell is a direct methanol fuel cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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