KR20170127250A - Electrolyte membrane and fuel cell comprising the same - Google Patents

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KR20170127250A
KR20170127250A KR1020160057630A KR20160057630A KR20170127250A KR 20170127250 A KR20170127250 A KR 20170127250A KR 1020160057630 A KR1020160057630 A KR 1020160057630A KR 20160057630 A KR20160057630 A KR 20160057630A KR 20170127250 A KR20170127250 A KR 20170127250A
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김선화
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배인성
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주식회사 엘지화학
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Abstract

The present invention relates to an electrolyte membrane and a fuel cell composing the same. One embodiment of the present invention provides an electrolyte membrane comprising: a hydrocarbon-based polymer; and a reactive inorganic material including an epoxy group. One embodiment of the present invention provides a membrane-electrode assembly comprising: an anode; a cathode; and the electrolyte membrane interposed between the anode and the cathode. One embodiment of the present invention provides an electrolyte-type fuel cell comprising: a stack including two or more membrane-electrode assemblies and a bipolar plate interposed therebetween; a fuel supply unit supplying fuel to the stack; and an oxidizing agent supply unit supplying an oxidizing agent to the stack. The electrolyte membrane of one embodiment of the present invention has excellent cell performance and mechanical properties under low-humidity conditions.

Description

전해질막 및 이를 포함하는 연료전지{ELECTROLYTE MEMBRANE AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}ELECTROLYTE MEMBRANE AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 명세서는 전해질 막 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrolyte membrane and a fuel cell including the electrolyte membrane.

고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지에서 불소계 고분자 전해질 막의 경우 높은 성능과 내구성으로 그 우수성이 널리 알려져 있다. 특히, 불소계 고분자 전해질 막의 경우에는 상대습도 사이클 시험(RH cycle test)을 통하여 기계적 물성 평가에서 내구성이 안정적으로 나타남을 확인할 수 있는 반면 탄화수소계 고분자 전해질 막의 경우 불소계 고분자 전해질 막에 비해 가격 경쟁력을 바탕으로 많이 연구가 진행 되고 있다. 저가습에서 이온전도도 및 성능이 크게 감소하는 탄화수소계 전해질 막의 단점을 극복하기 위하여 다양한 첨가제를 사용하고 있으며, 무기첨가제를 사용하는 경우 막의 기계적 물성이 낮아지는 문제가 있다. 따라서 기계적 성질을 떨어트리지 않으면서도 셀 성능을 향상 시킬 수 있는 첨가물에 대한 연구가 필요하다.In a fuel cell including a polymer electrolyte membrane, the fluorine-based polymer electrolyte membrane is widely known for its high performance and durability. In particular, the durability of the fluorinated polymer electrolyte membranes is evaluated stably by the RH cycle test. On the other hand, the hydrocarbon polymer electrolyte membranes are more cost competitive than the fluorinated polymer electrolyte membranes Much research is underway. A variety of additives are used to overcome the disadvantages of the hydrocarbon electrolyte membrane in which the ionic conductivity and the performance are largely reduced in the low humidification, and the mechanical properties of the membrane are lowered when the inorganic additives are used. Therefore, it is necessary to study the additives that can improve the cell performance without deteriorating the mechanical properties.

한국 특허 공개 제2009-0039180호Korean Patent Publication No. 2009-0039180

본 명세서는 전해질막 및 이를 포함하는 연료전기를 제공하고자 한다.The present specification intends to provide an electrolyte membrane and fuel electricity including the electrolyte membrane.

본 명세서의 일실시상태에 따르면, 탄화수소계 고분자; 및 에폭시기를 포함하는 반응성 무기재를 포함하는 전해질막을 제공한다. According to one embodiment of the present invention, a hydrocarbon-based polymer; And a reactive inorganic material containing an epoxy group.

본 명세서의 일 실시상태는, 애노드; 캐소드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 구비된 상기의 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.One embodiment of the present disclosure relates to an anode; Cathode; And an electrolyte membrane provided between the anode and the cathode.

본 명세서의 일 실시상태는, 상기에 따른 2 이상의 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 스택; 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료공급부; 및 상기 스택으로 산화제를 공급하는 산화제공급부를 포함하는 전해질형 연료전지를 제공한다.One embodiment of the present disclosure relates to a stack comprising at least two membrane-electrode assemblies according to the above and a bipolar plate provided between the membrane-electrode assemblies; A fuel supply unit for supplying fuel to the stack; And an oxidant supplier for supplying an oxidant to the stack.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 전해질막은 저가습 조건에서 셀성능 및 기계적 물성이 우수하다.The electrolyte membrane according to one embodiment of the present invention has excellent cell performance and mechanical properties under low humidity conditions.

도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 연료전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
1 is a schematic view showing an electricity generation principle of a fuel cell.
2 is a schematic view showing an embodiment of a fuel cell.

이하, 본 명세서에 대하여 더욱 자세히 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Whenever a component is referred to as "comprising ", it is to be understood that the component may include other components as well, without departing from the scope of the present invention.

본 명세서에서 "전해질막"은 이온을 교환할 수 있는 막으로서, 막, 이온교환막, 이온전달막, 이온 전도성 막, 분리막, 이온교환 분리막, 이온전달 분리막, 이온 전도성 분리막, 이온 교환 전해질막, 이온전달 전해질막 또는 이온 전도성 전해질막 등을 포함한다.As used herein, the term "electrolyte membrane" is a membrane capable of ion exchange, and includes a membrane, an ion exchange membrane, an ion transport membrane, an ion conductive membrane, a membrane, an ion exchange membrane, A transfer electrolyte membrane, an ion conductive electrolyte membrane, and the like.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 탄화수소계 고분자; 및 반응성 무기재를 포함하는 고분자 전해질막에 있어서, 상기 반응성 무기재는 에폭시기를 포함하는 것인 전해질막을 제공한다. According to one embodiment of the present invention, a hydrocarbon-based polymer; And a polymer electrolyte membrane comprising a reactive inorganic material, wherein the reactive inorganic material comprises an epoxy group.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 반응성 무기재의 크기는 0.01nm 이상 10nm 이하이고, 보다 구체적으로 0.01nm 이상 5nm이하이다. 무기재의 크기가 10nm이상인 경우, 무기재의 분산이 용이하지 않기 때문에, 분산제 없이 사용되기 어렵다. According to one embodiment of the present invention, the size of the reactive inorganic material is 0.01 nm or more and 10 nm or less, more specifically, 0.01 nm or more and 5 nm or less. When the size of the inorganic material is 10 nm or more, it is difficult to disperse the inorganic material without using a dispersant.

본 명세서의 무기재의 크기는 입경을 의미하며, 전자현미경을 이용하여 구형의 지름에 해당하는 길이를 측정할 수 있다.The size of the inorganic material in this specification means the particle size, and the length corresponding to the diameter of the spherical shape can be measured using an electron microscope.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질막은 상기 탄화수소계 고분자 100중량부를 기준으로 하였을 때 상기 반응성 무기재 0.1 중량부 내지 10 중량부를 포함한다. 0.1 중량부보다 함량이 낮은 경우, 그 양이 작아 효과가 미미하며, 함량이 10 중량부보다 높은 경우, 용액 및 막 제조시 분산성이 떨어진다.According to an embodiment of the present invention, the electrolyte membrane includes 0.1 to 10 parts by weight of the reactive inorganic material based on 100 parts by weight of the hydrocarbon-based polymer. When the content is lower than 0.1 part by weight, the effect is insignificant because the amount thereof is small, and when the content is higher than 10 parts by weight, the dispersibility during solution and film production is poor.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 반응성 무기재는 실리카류 무기재이다.According to one embodiment of the present invention, the reactive inorganic material is a silica-based inorganic material.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 반응성 무기재로는 에폭시기를 포함하는 실세스퀴옥산(Silsesquioxane)를 사용할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, silsesquioxane containing an epoxy group may be used as the reactive inorganic material.

상기 에폭시 함유 반응성 무기재로는 Hybrid plastics사의 EP0408, EP0409, EP0421, EP0423 또는 Arakawa Chemical사의 SQ-506를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As the epoxy-containing reactive inorganic material, EP0408, EP0409, EP0421, EP0423 of Hybrid plastics or SQ-506 of Arakawa Chemical may be used, but the present invention is not limited thereto.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄화수소계 고분자는 술폰산기를 포함한다. According to one embodiment of the present invention, the hydrocarbon-based polymer comprises a sulfonic acid group.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 반응성 무기재와 술폰산기를 포함하는 전해질막의 경우, 반응성 무기재와 전해질막 내의 술폰산기와 반응함으로써 전해질막은 경화된 구조를 형성한다. 따라서 기존의 전해질막보다 향상된 기계적 특성을 나타내며, 또한 탄화수소계 고분자는 측쇄기를 포함하기 때문에 고분자와의 상용성이 증가, 분산제가 없더라도 무기재인 실리카의 분산성을 향상시키는 효과를 나타낸다. According to one embodiment of the present invention, in the case of the electrolyte membrane containing the reactive inorganic material and the sulfonic acid group, the electrolyte membrane reacts with the sulfonic acid group in the reactive inorganic material and the electrolyte membrane to form a cured structure. Therefore, the hydrocarbon polymer exhibits improved mechanical properties compared to the conventional electrolyte membrane. Further, since the hydrocarbon polymer includes a side chain group, the compatibility with the polymer increases, and even when the dispersant is not present, the dispersibility of silica as an inorganic material is improved.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄화수소계 고분자는 술폰화 벤즈이미다졸계 고분자, 술폰화 폴리이미드계 고분자, 술폰화 폴리에테르이미드계 고분자, 술폰화 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 술폰화 폴리술폰계 고분자, 술폰화 폴리에테르술폰계 고분자, 술폰화 폴리에테르케톤계 고분자, 술폰화 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 술폰화 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. According to one embodiment of the present invention, the hydrocarbon-based polymer is at least one selected from the group consisting of sulfonimide benzimidazole-based polymers, sulfonated polyimide-based polymers, sulfonated polyetherimide-based polymers, sulfonated polyphenylene sulfide- A sulfonated polyether sulfone type polymer, a sulfonated polyether ketone type polymer, a sulfonated polyether-ether ketone type polymer, and a sulfonated polyphenylquinoxaline type polymer, but the present invention is not limited thereto.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄화수소계 고분자의 중량 평균 분자량은 100,000 내지 2,000,000이고, 고분자의 중량 평균 분자량이 300,000 내지 2,000,000인 경우 보다 바람직하다. 중량 평균 분자량이 300,000이하인 고분자로 전해질막을 형성하는 경우 전해질막의 기계적 물성이 떨어져, 전극-막 접합체의 형성 자체에 어려움이 있으며, 2,000,000이상의 고분자를 사용하는 경우, 고분자의 점도가 높아져서 고분자의 취급에 어려움이 있다. According to one embodiment of the present invention, the weight average molecular weight of the hydrocarbon-based polymer is 100,000 to 2,000,000, and the weight average molecular weight of the polymer is more preferably 300,000 to 2,000,000. In the case of forming an electrolyte membrane with a polymer having a weight average molecular weight of 300,000 or less, the mechanical properties of the electrolyte membrane are deteriorated and it is difficult to form the electrode-membrane junction body. When a polymer having a molecular weight of 2,000,000 or more is used, the viscosity of the polymer is increased, .

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질막의 이온전도도는 0.001 mS/cm 내지 400 mS/cm 이다.According to one embodiment of the present invention, the ionic conductivity of the electrolyte membrane is 0.001 mS / cm to 400 mS / cm.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 이온 전도도는 가습 조건에서 측정될 수 있다. 본 명세서에서 가습 조건이란 상대 습도(RH) 10% 내지 100%에서 선택될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane can be measured under a humidifying condition. In this specification, the humidifying condition may be selected from 10% to 100% relative humidity (RH).

본 명세서의 일 실시상태에 따른 전해질막은 상기 친수성블록을 포함하는 것을 제외하고, 당기술분야에 알려진 재료 및/또는 방법을 이용하여 제조될 수 있다.An electrolyte membrane according to one embodiment of the present disclosure may be manufactured using materials and / or methods known in the art, except that the electrolyte membrane includes the hydrophilic block.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 전해질막은 상기 친수성블록을 포함하는 블록공중합체를 중합하고, 상기 블록공중합체를 블랜딩하여 고분자 용액 조성물을 제조한 후, 블랜딩된 고분자 용액 조성물을 캐스팅하여 전해질 막을 제조할 수 있다.The electrolyte membrane according to one embodiment of the present invention may be prepared by polymerizing a block copolymer containing the hydrophilic block, blending the block copolymer to prepare a polymer solution composition, and then casting the blended polymer solution composition to prepare an electrolyte membrane .

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질막의 두께는 1 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있고, 구체적으로 5 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다. 전해질막의 두께가 1 ㎛ 내지 100 ㎛일 때, 전기적 쇼트(Electric Short) 및 전해질 물질의 크로스오버(Cross Over)를 저하시키고, 우수한 양이온 전도도 특성을 나타낼 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the thickness of the electrolyte membrane may be 1 탆 to 100 탆, specifically 5 탆 to 50 탆. When the thickness of the electrolyte membrane is 1 占 퐉 to 100 占 퐉, the electric short and the cross over of the electrolyte material can be lowered, and excellent cation conductivity characteristics can be exhibited.

본 명세서는 또한, 애노드; 캐소드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 구비된 전술한 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다. The disclosure also includes an anode; Cathode; And the above-described polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode.

막-전극 접합체(MEA)는 연료와 공기의 전기화학 촉매 반응이 일어나는 전극(캐소드와 애노드)과 수소 이온의 전달이 일어나는 고분자 막의 접합체를 의미하는 것으로서, 전극(캐소드와 애노드)과 전해질막이 접착된 단일의 일체형 유니트(unit)이다.The membrane-electrode assembly (MEA) means a junction body of an electrode (cathode and anode) where an electrochemical catalytic reaction of fuel and air takes place and a polymer membrane in which hydrogen ions are transferred, and the electrode (cathode and anode) It is a single integral unit.

본 명세서의 상기 막-전극 접합체는 애노드의 촉매층과 캐소드의 촉매층이 전해질막에 접촉하도록 하는 형태로서, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 일례로, 상기 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 밀착시킨 상태에서 100℃ 내지 400℃로 열압착하여 제조될 수 있다.The membrane-electrode assembly of the present invention can be produced by a conventional method known in the art, such that the catalyst layer of the anode and the catalyst layer of the cathode are in contact with the electrolyte membrane. For example, the cathode; Anode; And an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode in close contact with each other at 100 ° C to 400 ° C.

애노드 전극은 애노드 촉매층과 애노드 기체확산층을 포함할 수 있다. 애노드 기체확산층은 다시 애노드 미세 기공층과 애노드 전극 기재를 포함할 수 있다. The anode electrode may include an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer. The anode gas diffusion layer may again include an anode microporous layer and an anode electrode substrate.

캐소드 전극은 캐소드 촉매층과 캐소드 기체확산층을 포함할 수 있다. 캐소드 기체확산층은 다시 캐소드 미세 기공층과 캐소드 전극 기재를 포함할 수 있다.The cathode electrode may include a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer. The cathode gas diffusion layer may again include a cathode microporous layer and a cathode electrode substrate.

도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막 전극 접합체(MEA)인데, 이는 전해질막(100)과 이 전해질막(100)의 양면에 형성되는 애노드(200a) 및 캐소드(200b) 전극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 애노드(200a)에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 수소 이온은 전해질막(100)을 통해 캐소드(200b)로 이동한다. 캐소드(200b)에서는 전해질막(100)을 통해 전달된 수소 이온과, 산소와 같은 산화제 및 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.FIG. 1 schematically shows an electricity generating principle of a fuel cell. In a fuel cell, a basic unit for generating electricity is a membrane electrode assembly (MEA), which includes an electrolyte membrane 100 and an electrolyte membrane 100, And an anode 200a and a cathode 200b electrodes formed on both sides of the cathode 200a. 1 showing the principle of electricity generation of a fuel cell, in the anode 200a, oxidation reaction of hydrogen such as hydrogen or hydrocarbons such as methanol and butane occurs, hydrogen ions (H +) and electrons (e-) are generated, The hydrogen ions move through the electrolyte membrane 100 to the cathode 200b. In the cathode 200b, hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane 100 react with an oxidizing agent such as oxygen and electrons to generate water. This reaction causes electrons to migrate to the external circuit.

상기 애노드 전극의 촉매층은 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 있다. 상기 캐소드 전극의 촉매층은 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.The catalyst layer of the anode electrode is preferably a catalyst selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum- Lt; / RTI > The catalyst layer of the cathode electrode is a place where a reduction reaction of an oxidizing agent occurs, and a platinum or platinum-transition metal alloy can be preferably used as a catalyst. The catalysts can be used not only by themselves but also by being supported on a carbon-based carrier.

촉매층을 도입하는 과정은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행할 수 있는데, 예를 들면 촉매 잉크를 전해질막에 직접적으로 코팅하거나, 이형성 기재에 촉매층을 형성한 후 전해질막에 열압착하고 이형성 기재를 제거하여 형성하거나, 기체확산층에 코팅하여 촉매층을 형성할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 다이 코팅, 스핀 코팅 또는 잉크젯 코팅 방법 등을 사용할 수 있다. 촉매 잉크는 대표적으로 촉매, 폴리머 이오노머(polymer ionomer) 및 용매로 이루어질 수 있다.The process of introducing the catalyst layer can be performed by a conventional method known in the art. For example, the catalyst ink may be directly coated on the electrolyte membrane, or a catalyst layer may be formed on the releasable substrate, followed by thermocompression bonding to the electrolyte membrane, The catalyst layer may be formed by removing the substrate or by coating the gas diffusion layer. Here, the method of coating the catalyst ink is not particularly limited, but spray coating, tape casting, screen printing, blade coating, die coating, spin coating or inkjet coating may be used. The catalyst ink may typically consist of a catalyst, a polymer ionomer and a solvent.

상기 기체확산층은 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층은 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 도전성 기재로는 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 기체확산층은 촉매층 및 도전성 기재 사이에 미세기공층을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 미세기공층은 저가습 조건에서의 연료전지의 성능을 향상시키기 위하여 사용될 수 있으며, 기체확산층 밖으로 빠져나가는 물의 양을 적게 하여 전해질막이 충분한 습윤 상태에 있도록 하는 역할을 한다.The gas diffusion layer serves as a current conductor and serves as a passage for reacting gas and water, and has a porous structure. Therefore, the gas diffusion layer may include a conductive base material. As the conductive substrate, carbon paper, carbon cloth or carbon felt can be preferably used. The gas diffusion layer may further include a microporous layer between the catalyst layer and the conductive base. The microporous layer can be used to improve the performance of the fuel cell under low humidification conditions and serves to reduce the amount of water flowing out of the gas diffusion layer to make the electrolyte membrane sufficiently wet.

본 명세서의 일 실시상태는 2 이상의 막-전극 접합체; 상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 스택; 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료공급부; 및 상기 스택으로 산화제를 공급하는 산화제공급부를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다. One embodiment of the present disclosure includes at least two membrane-electrode assemblies; A stack including a bipolar plate disposed between the membrane-electrode assemblies; A fuel supply unit for supplying fuel to the stack; And an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the stack.

연료전지는 연료의 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 즉 연료전지는 연료가스와 산화제를 사용하고, 이들의 산화환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 전력을 생산하는 발전 방식이다. Fuel cells are energy conversion devices that convert the chemical energy of a fuel directly into electrical energy. That is, a fuel cell uses a fuel gas and an oxidizing agent, and generates electricity using electrons generated during the oxidation-reduction reaction.

연료전지는 전술한 막-전극 접합체(MEA)를 사용하여 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기에서 제조된 막전극 접합체(MEA)와 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 구성하여 제조될 수 있다.The fuel cell can be manufactured according to a conventional method known in the art using the above-described membrane-electrode assembly (MEA). For example, the membrane electrode assembly (MEA) and the bipolar plate may be fabricated.

본 명세서의 연료전지는 스택, 연료공급부 및 산화제공급부를 포함하여 이루어진다.The fuel cell of the present invention comprises a stack, a fuel supply, and an oxidant supply.

도 2은 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지는 스택(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.2 schematically illustrates the structure of a fuel cell, which includes a stack 60, an oxidant supply unit 70, and a fuel supply unit 80. As shown in FIG.

스택(60)은 상술한 막 전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막 전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 막 전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.The stack 60 includes one or more of the membrane electrode assemblies described above and includes a separator interposed therebetween when two or more membrane electrode assemblies are included. The separator serves to prevent the membrane electrode assemblies from being electrically connected and to transfer the fuel and oxidant supplied from the outside to the membrane electrode assembly.

산화제 공급부(70)는 산화제를 스택(60)으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(70)로 주입하여 사용할 수 있다.The oxidant supply part 70 serves to supply the oxidant to the stack 60. As the oxidizing agent, oxygen is typically used, and oxygen or air can be injected into the pump 70 and used.

연료 공급부(80)는 연료를 스택(60)으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료 탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.The fuel supply unit 80 serves to supply the fuel to the stack 60 and includes a fuel tank 81 for storing the fuel and a pump 82 for supplying the fuel stored in the fuel tank 81 to the stack 60 Lt; / RTI > As the fuel, gas or liquid hydrogen or hydrocarbon fuel may be used. Examples of hydrocarbon fuels include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

상기 연료전지는 고분자 전해질 연료전지, 직접 액체 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 직접 개미산 연료전지, 직접 에탄올 연료전지, 또는 직접 디메틸에테르 연료전지 등이 가능하다.The fuel cell may be a polymer electrolyte fuel cell, a direct liquid fuel cell, a direct methanol fuel cell, a direct formic acid fuel cell, a direct ethanol fuel cell, or a direct dimethyl ether fuel cell.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 전술한 전해질 막을 포함하는 연료전지를 제공한다.According to one embodiment of the present disclosure, there is provided a fuel cell including the above-described electrolyte membrane.

이하 본 명세서의 내용을 이해를 돕기 위하여 실시예 및 비교예를 제공한다. 다만, 본 명세서의 내용이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, examples and comparative examples are provided to facilitate understanding of the contents of the present specification. However, the content of the present specification is not limited to the following examples.

<참고예><Reference example>

1) 고분자 합성1) Synthesis of polymer

비스페놀 A 8.3g, 4,4-디플로로벤조페논 28.7g, 히드로퀴논 설폰산-포타슘 솔트 22.7g, 포타슘 카보네이트염 37g,디메틸설폭사이드(DMSO) 220g, 벤젠 200g을 첨가한 용액을 둥근바닥플라스크에 추가하고, 140℃에서 함께 끓음(azotropy)을 진행한 후, 벤젠을 제거하고 180℃로 승온하여 중합을 진행하였다. 점도가 높아진 용액은 물에 침전화 시킨 후, 물로 추가 세척을 충분히 하여 잔류 포타슘 카보네이트염을 제거하고 80℃ 오븐에서 하루 이상 건조하여 사용하였다. (중량평균 분자량, 300KDa)A solution prepared by adding 8.3 g of bisphenol A, 28.7 g of 4,4-difluorobenzophenone, 22.7 g of hydroquinone sulfonic acid-potassium salt, 37 g of potassium carbonate salt, 220 g of dimethyl sulfoxide (DMSO) and 200 g of benzene was added to a round bottom flask After azotropy was performed at 140 ° C, benzene was removed and the temperature was raised to 180 ° C to carry out the polymerization. The solution with increased viscosity was immersed in water and further washed with water to remove residual potassium carbonate salt and dried in an oven at 80 ° C for more than one day. (Weight average molecular weight, 300 KDa)

2) 블렌딩 고분자 용액 조성물 제조2) Preparation of blending polymer solution composition

디메틸설폭사이드(DMSO)용매에 상기 방법으로 합성된 탄화수소계 고분자를 95:5 비율로 첨가하여 녹인 후 여과하여 고분자 용액 조성물을 제조하였다.The hydrocarbon-based polymer synthesized by the above-described method was dissolved in dimethylsulfoxide (DMSO) solvent in a ratio of 95: 5 and filtered to prepare a polymer solution composition.

3) 필름 캐스팅3) Film casting

블렌딩된 고분자 용액 조성물을 이용하여 무균실험대(clean bench) 내 어플리케이터(applicator)의 수평판 위에서 닥터 블레이드를 이용하여 기판에 고분자 필름을 캐스팅한 후 50℃에서 2시간 이상 유지 후, 100℃로 설정된 오븐 안에 집어 넣고 하루 동안 건조하여 블렌딩된 탄화수소계 고분자 전해질막을 제조하였다. The blended polymer solution composition was used to cast a polymer film on a substrate using a doctor blade on a horizontal plate of an applicator in a clean bench and then kept at 50 ° C for 2 hours or longer. And dried for one day to prepare a blended hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

상기 참고예의 블렌딩 고분자 용액 조성물 제조에 있어서, 탄화수소계 고분자를 100 중량부를 기준으로, SQ-506(Arakawa사) 3 중량부를 포함하여 블랜딩 고분자 용액을 사용하여 고분자 전해질막을 제조하였다. In the preparation of the blended polymer solution composition of the Reference Example, a polymer electrolyte membrane was prepared using a blending polymer solution containing 3 parts by weight of SQ-506 (Arakawa) based on 100 parts by weight of a hydrocarbon polymer.

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

상기 실시예 1에서 SQ-506(Arakawa사) 3 중량부 대신 5 중량부를 사용한 것을 제외하고, 실험예 1과 동일한 방법으로 전해질막을 제조하였다. An electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Experimental Example 1, except that 5 parts by weight of SQ-506 (Arakawa) was used instead of 3 parts by weight of the above Example 1.

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

상기 실시예 1에서 반응성 무기재를 사용하지 않은 것을 제외하고, 실험예 1과 동일한 방법으로 전해질막을 제조하였다. An electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Experimental Example 1, except that the reactive inorganic material was not used in Example 1.

<비교예 2 >&Lt; Comparative Example 2 &

상기 실시예 1에서 반응성 무기재 3 중량부 대신 반응성기를 포함하지 않는 실리카(aerosil380) 5 중량부를 사용한 것을 제외하고, 실험예 1과 동일한 방법으로 전해질막을 제조하였다. An electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Experimental Example 1, except that 5 parts by weight of silica (aerosil 380) containing no reactive group was used instead of 3 parts by weight of the reactive inorganic material in Example 1.

상기 실험예 1, 2, 비교예 1 및 2에서 각각의 전해질막의 셀 성능을 평가한 결과를 표 1에 나타내었다. Table 1 shows the results of evaluating cell performance of each electrolyte membrane in Experimental Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2.

MEAMEA FS_Current Density Forward (mA/cm2@0.6V)/OCVFS_Current Density Forward (mA / cm 2 @ 0.6V) / OCV 100% RH100% RH 50% RH50% RH 실시예 1Example 1 1257/0.9061257 / 0.906 1311/0.9051311 / 0.905 실시예 2Example 2 1148/0.9261148 / 0.926 1295/0.9301295 / 0.930 비교예 1Comparative Example 1 1105/0.9661105 / 0.966 1064/0.9911064 / 0.991 비교예 2Comparative Example 2 884/0.899884 / 0.899 954/0.890954 / 0.890

상기 표 1에서 알 수 있듯이 실험예 1 및 2에서 제작된 전해질막은 저가습에서 성능이 향상되며, 무기물의 첨가량이 많을수록 효과적인 것을 알 수 있다. As can be seen from Table 1, the performance of the electrolyte membrane prepared in Experimental Examples 1 and 2 was improved at low humidification, and the more the amount of inorganic material added, the more effective it is.

상기 실험예 1, 2, 비교예 1 및 2의 전해질막의 기계적 물성을 평가한 결과는 하기 표 2와 같다.The results of evaluating the mechanical properties of the electrolyte membranes of Experimental Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 2 below.

22℃ 40% RH22 ° C 40% RH Young's modulus(kgf/cm)Young's modulus (kgf / cm) 파단점 응력(kgf/cm2)Breaking point stress (kgf / cm 2 ) 실시예 1Example 1 5.745.74 689689 실시예 2Example 2 5.585.58 723723 비교예 1Comparative Example 1 6.176.17 590590 비교예 2Comparative Example 2 6.466.46 425425

위에 제조된 무기입자를 포함하는 전해질 막의 경우 고분자 전해질과 화학결합으로 연결됨으로써, 반응성을 가지지 않는 무기입자를 포함한 막과 비교하여 우수한 기계적 특성을 나타낸다.In the case of the electrolyte membrane including the above-prepared inorganic particles, the polymer electrolyte membrane is chemically bonded to the polymer electrolyte, thereby exhibiting excellent mechanical properties as compared with a membrane containing inorganic particles having no reactivity.

100: 전해질 막
200a: 애노드
200b: 캐소드
60: 스택
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료 탱크
82: 펌프
100: electrolyte membrane
200a: anode
200b: cathode
60: Stack
70: oxidant supplier
80: fuel supply unit
81: Fuel tank
82: Pump

Claims (13)

탄화수소계 고분자; 및 에폭시기를 포함하는 반응성 무기재를 포함하는 전해질막.Hydrocarbon-based polymers; And an electrolyte containing a reactive inorganic material containing an epoxy group. 청구항 1에 있어서, 상기 반응성 무기재의 크기는 0.01nm 이상 10nm 이하인 것인 전해질막.The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the reactive inorganic material has a size of 0.01 nm or more and 10 nm or less. 청구항 1에 있어서, 상기 반응성 무기재의 크기는 0.01nm 이상 5nm 이하인 것인 전해질막.The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the reactive inorganic material has a size of 0.01 nm or more and 5 nm or less. 청구항 1에 있어서, 상기 전해질 막은 상기 탄화수소계 고분자 100 중량부를 기준으로 하였을 때 상기 반응성 무기재 0.1 중량부 내지 10 중량부를 포함하는 것인 전해질막.The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the electrolyte membrane comprises 0.1 to 10 parts by weight of the reactive inorganic material based on 100 parts by weight of the hydrocarbon-based polymer. 청구항 1에 있어서, 상기 반응성 무기재는 실리카류 무기재인 것인 전해질막.The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the reactive inorganic material is a silica-based inorganic material. 청구항 1에 있어서, 상기 반응성 무기재는 에폭시기를 포함하는 실세스퀴옥산 (Silsesquioxane)인 것인 전해질막.The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the reactive inorganic material is silsesquioxane containing an epoxy group. 청구항 1에 있어서, 상기 탄화수소계 고분자는 술폰산기를 포함하는 것인 전해질막.The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the hydrocarbon-based polymer comprises a sulfonic acid group. 청구항 1에 있어서, 상기 탄화수소계 고분자는 술폰화 벤즈이미다졸계 고분자, 술폰화 폴리이미드계 고분자, 술폰화 폴리에테르이미드계 고분자, 술폰화 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 술폰화 폴리술폰계 고분자, 술폰화 폴리에테르술폰계 고분자, 술폰화 폴리에테르케톤계 고분자, 술폰화 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 술폰화 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 것인 전해질막.[4] The method of claim 1, wherein the hydrocarbon-based polymer is selected from the group consisting of a sulfonated benzimidazole-based polymer, a sulfonated polyimide-based polymer, a sulfonated polyetherimide-based polymer, a sulfonated polyphenylene sulfide- A sulfonated polyether ketone-based polymer, a sulfonated polyether-ether ketone-based polymer, and a sulfonated polyphenylquinoxaline-based polymer. 청구항 1에 있어서, 상기 탄화수소계 고분자는 중량평균 분자량은 100,000 내지 2,000,000 인 것인 전해질막.The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the hydrocarbon-based polymer has a weight average molecular weight of 100,000 to 2,000,000. 청구항 1에 있어서, 상기 전해질막의 이온전도도는 0.001 mS/cm 내지 400 mS/cm 인 것인 전해질막.The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the electrolyte membrane has an ion conductivity of 0.001 mS / cm to 400 mS / cm. 청구항 1에 있어서, 상기 전해질막의 두께는 1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것인 전해질막.The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the electrolyte membrane has a thickness of 1 탆 to 100 탆. 양극; 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 구비된 전해질막을 포함하고,
상기 전해질막이 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항의 전해질막인 것인 막-전극 접합체.
anode; cathode; And an electrolyte membrane provided between the anode and the cathode,
Wherein the electrolyte membrane is an electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 11.
청구항 12에 따른 2 이상의 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 스택;
연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및
산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지.
A stack including at least two membrane-electrode assemblies according to claim 12 and a bipolar plate provided between the membrane-electrode assemblies;
A fuel supply unit for supplying fuel to the stack; And
And an oxidant supplier for supplying an oxidant to the stack.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109888347A (en) * 2019-04-03 2019-06-14 山东星火科学技术研究院 The preparation method of inorganic nano particle modified sulfonated polyether-ether-ketone film

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