KR20190071965A - Electrode composition for fuel cell comprising anion conducting hydrocarbonaceous binder, membrane/electrode assembly comprising said composition and preparation method thereof - Google Patents

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이영주
차민석
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Abstract

The present invention relates to a positive electrode composition for a fuel cell comprising a hydrocarbon-based anion conductive binder, a membrane-electrode assembly comprising the same, and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a positive electrode composition for a fuel cell in a slurry state comprising a hydrocarbon-based anion conductive binder and a catalyst metal, a membrane-electrode assembly comprising a catalyst layer formed using the positive electrode composition and an anion conductive electrolyte membrane, and a method for manufacturing the same. According to the present invention, by providing an anion exchange material binder based on a low-cost hydrocarbon-based material, a membrane-electrode assembly for a fuel cell having excellent economic efficiency and excellent performance and durability can be manufactured.

Description

탄화수소계 음이온 전도성 바인더를 포함하는 연료전지용 양극 조성물, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 그의 제조방법{Electrode composition for fuel cell comprising anion conducting hydrocarbonaceous binder, membrane/electrode assembly comprising said composition and preparation method thereof} [0001] The present invention relates to a positive electrode composition for a fuel cell including a hydrocarbon-based anionic conductive binder, a membrane-electrode assembly comprising the same, and a membrane-

본원 발명은 탄화수소계 음이온 전도성 바인더를 포함하는 연료전지용 양극 조성물, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 그의 제조방법에 대한 것이다.The present invention relates to a positive electrode composition for a fuel cell comprising a hydrocarbon-based anionic conductive binder, a membrane-electrode assembly comprising the same, and a process for producing the same.

보다 구체적으로는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더 및 촉매 금속을 함유하는 슬러리 상태인 연료전지용 양극 조성물과, 이러한 양극 조성물을 이용하여 형성된 촉매층과 음이온 전도성 전해질 막을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체 및 이의 제조방법에 대한 것이다.More particularly, the present invention relates to a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a cathode composition for a fuel cell in a slurry state containing a hydrocarbon-based anionic conductive binder and a catalyst metal, and a catalyst layer formed using such a cathode composition and an anionic conductive electrolyte membrane, It is about.

최근 인구 증가로 인한 화석연료의 고갈, 공해 및 전기에너지에 대한 수요증가는 대체 에너지원의 개발을 필요로 한다. 따라서, 많은 연구자들이 전기에너지를 생산할 수 있는 새로운 시스템의 발명을 시도하고 있다. 그중, 고분자 전해질을 사용하는 양성자 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell; PEMFC)는 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환할 수 있고 물과 같은 비독성 물질을 배출하므로 자동차 및 휴대용 가전 등을 위한 대체 에너지 시스템으로서 상당히 주목받고 있다. 상기 PEMFC에 있어서 중요한 요소는, PEMFC의 성능 및 내구성을 결정하며, 양 전극을 분리시키는 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane; PEM)이다. 따라서, 높은 양성자 전도도, 강한 기계적 성질, 물에서 안정한 치수 및 낮은 단가가 PEM의 선택에 있어서 필수적이다.Increasing demand for fossil fuel depletion, pollution and electrical energy due to recent population growth necessitates the development of alternative energy sources. Therefore, many researchers are attempting to invent a new system capable of producing electrical energy. Among them, proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) using polymer electrolyte can directly convert chemical energy into electrical energy and discharge non-toxic substances such as water. Therefore, alternative energy for automobiles and portable household appliances System. An important element of the PEMFC is a polymer electrolyte membrane (PEM) that determines the performance and durability of the PEMFC and separates both electrodes. Therefore, high proton conductivity, strong mechanical properties, stable dimensions in water and low unit cost are essential in the choice of PEM.

일반적으로 고분자 전해질 연료전지에서 사용되는 전해질 막은 불소화된 고분자(perfluorinated polymer) 전해질과 탄화수소계(hydrocarbon) 고분자 전해질로 나눌 수 있다. 상기 불소화된 고분자 전해질은 탄소-불소(CF) 간의 강한 결합력과 불소원자의 특징인 가림(shielding) 효과로 화학적으로 안정하며, 기계적인 물성도 우수하고, 특히 수소이온 교환막으로 전도성이 높으므로 현재 고분자 전해질형 연료전지의 고분자 막으로 상용화되고 있다. 미국 듀퐁(Du Pont)사의 상품인 나피온(Nafion, 퍼플루오르화 술폰산 중합체)은 상용화된 수소이온 교환막의 대표적인 예로서, 이온전도도, 화학적 안정성, 이온 선택성 등이 우수하여 현재 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 불소화된 고분자 전해질 막은 우수한 성능에 반하여 높은 가격으로 인해 산업용으로서의 이용도가 낮으며, 메탄올이 고분자 막을 통과하는 메탄올 투과성(methanol crossover)이 높고, 80℃ 이상의 온도에서 고분자 막의 효율이 감소하는 단점이 있어 가격면에서 경쟁성 있는 탄화수소 이온 교환막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In general, an electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell can be divided into a perfluorinated polymer electrolyte and a hydrocarbon polymer electrolyte. The fluorinated polyelectrolyte is chemically stable due to strong binding force between carbon-fluorine (CF) and shielding effect of fluorine atom, and has excellent mechanical properties. In particular, since it is a hydrogen ion exchange membrane and has high conductivity, Has been commercialized as a polymer membrane of an electrolyte type fuel cell. Nafion (perfluorinated sulfonic acid polymer), a product of Du Pont, USA, is a typical example of a commercially available hydrogen ion exchange membrane and has been widely used since it has excellent ion conductivity, chemical stability and ion selectivity. However, the fluorinated polymer electrolyte membranes have a disadvantage in that they are low in industrial availability due to their high cost, high methanol crossover through the polymer membrane, and decrease in the efficiency of the polymer membrane at a temperature of 80 ° C or higher Therefore, studies on competitive hydrocarbon ion exchange membranes have been actively conducted.

연료전지에 사용되는 고분자 전해질 막은 연료전지 작동시 요구되는 조건에서 안정해야 하므로 충분히 높은 기계적 물성이 요구된다. 한편, 기계적 물성의 증가를 위한 막 두께의 증가는 막의 저항을 증가시켜 막의 이온전도도를 낮추는 단점이 있다. 강도가 약한 막은 연료전지 구동시 가수분해, 산화, 환원반응 등의 전기화학적 스트레스(electrochemical stress)로 인하여 고분자 막의 분해반응을 야기하여 연료전지의 성능을 저하시킨다.Since the polymer electrolyte membrane used in the fuel cell must be stable under the conditions required for operation of the fuel cell, sufficiently high mechanical properties are required. On the other hand, the increase of the film thickness for the increase of the mechanical property has a disadvantage that the ion resistance of the film is lowered and the ion conductivity of the film is lowered. The membrane with weak strength causes decomposition reaction of the polymer membrane due to electrochemical stress such as hydrolysis, oxidation and reduction reaction when the fuel cell is driven, thereby deteriorating the performance of the fuel cell.

따라서, 연료전지용 전극 바인더로와 관련된 종래기술인 일본 공개특허 특개2006-019271에는 촉매 Pt/C에 대하여 전해액인 인산에 대하여 안정성을 갖고 있는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리벤즈이미다졸(PBI)를 사용하는 것이 기재되어 있다. 그런데 PVDF를 바인더로 사용하는 경우 인산의 분포 및 유동 제어 능력이 충분치 않고, PBI를 바인더로서 사용하는 경우에는 PBI 자체의 인산 용해성 때문에 전극이 일부 손상되고 전극의 팽윤에 의한 전극 미세 구조가 변화되는 등의 문제가 발생하는 것이 보고되어 있다. Therefore, in the prior art Japanese Patent Laid-Open No. 2006-019271 related to an electrode binder for a fuel cell, polyvinylidene fluoride (PVDF), polybenzimidazole (PBI) having stability to phosphoric acid which is an electrolyte for the catalyst Pt / C, Is used. However, when PVDF is used as a binder, the distribution and flow control ability of phosphoric acid is not sufficient. When PBI is used as a binder, the electrode is partially damaged due to the phosphoric acid solubility of PBI itself and the electrode microstructure is changed due to swelling of the electrode And the like.

한편, 탄화수소계 이온전도성 고분자 막을 구비한 막-전극 접합체의 전극 촉매에 바인더로 불소계 나피온을 사용하는 경우에 불소계 고분자인 나피온과 혼화성이 떨어지는 단점을 개선하기 위하여 한국 공개특허 제2016-0143103호에서는 부분가지형 블록 공중합체로부터 제조한 내구성이 우수한 전해질 막과 조합하여 막-전극 접합체를 제조하여 내구성을 향상시킬 수 있는 기술이 개시되어 있고, 이러한 부분가지형 탄화수소계 이온전도성 고분자막을 이용하는 경우 강도가 증가된 전해질 막을 제공할 수 있으나, 전극 촉매층의 내구성이 낮아 이들로부터 제조된 막-전극 접합체의 성능이 단시간에 급격히 감소하는 현상을 나타날 수도 있다.On the other hand, in order to improve the disadvantage of poor compatibility with the fluorine-based polymer Nafion when the fluorochemical naphion is used as the binder in the electrode catalyst of the membrane-electrode assembly having the hydrocarbon-based ion conductive polymer membrane, Korean Patent Publication No. 2016-0143103 Discloses a technique capable of improving the durability by producing a membrane-electrode assembly in combination with an electrolyte membrane having excellent durability, which is produced from a partially branched block copolymer. In the case of using such a branched hydrocarbon-based ion conductive polymer membrane It is possible to provide an electrolyte membrane having an increased strength. However, since the durability of the electrode catalyst layer is low, the performance of the membrane-electrode assembly produced therefrom may rapidly decrease in a short time.

특히, 종래의 양이온 교환막을 도입한 PEMFC에 비하여 음이온 교환막을 도입한 연료전지의 경우 저가의 촉매를 사용할 수 있으며 산소의 환원반응이 원활하다는 장점으로 인해 많은 주목을 받고 있으나 현재까지 전극 제조 시 필요한 바인더 소재에 대한 개발이 충분히 이루어지지 못한 상태이다.Particularly, a fuel cell incorporating an anion exchange membrane as compared with a conventional PEMFC in which a cation exchange membrane is introduced has attracted much attention because it can use a low-cost catalyst and has a smooth oxygen reduction reaction. However, The material has not been developed sufficiently.

일본 공개특허 특개2006-019271호Japanese Patent Laid-Open No. 2006-019271 한국 공개특허 제2016-0143103호Korean Patent Publication No. 2016-0143103

본원 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 개발된 것으로, 불소계 고분자를 사용하지 않는 탄화수소계 고분자를 바인더로 사용하여 촉매 금속을 포함하는 슬러리 형태의 연료전지용 양극 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been developed in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a slurry-type cathode composition for a fuel cell using a hydrocarbon-based polymer which does not use a fluorine-based polymer as a binder.

또한, 본원 발명에서는 탄화수소계 고분자를 바인더로 포함하는 양극 조성물을 이용하여 형성된 촉매층과 음이온 전도성 전해질 막을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공하고자 한다.Also, the present invention provides a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a catalyst layer formed using a positive electrode composition containing a hydrocarbon-based polymer as a binder and an anionic conductive electrolyte membrane.

본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 탄화수소계 고분자 제조단계; 상기 탄화수소계 고분자를 할로겐화하는 할로겐화 고분자 제조단계; 상기 할로겐화 고분자를 4차화 반응(quaternization)을 통하여 음이온 전도성기를 가지는 바인더 고분자 제조단계; 및 상기 바인더 고분자, 촉매 금속 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하는 전극 슬러리 제조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더를 포함하는 연료전지용 양극 조성물의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a method for producing a hydrocarbon-based polymer, Preparing a halogenated polymer by halogenating the hydrocarbon-based polymer; A step of preparing a binder polymer having an anionic conductive group through quaternization of the halogenated polymer; And an electrode slurry preparation step of mixing the binder polymer, the catalyst metal, and the solvent to prepare a slurry, wherein the binder slurry is prepared by mixing the binder polymer, the catalyst metal, and the solvent.

또한, 본원 발명에서는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더; 촉매 금속; 및 유기용매를 포함하고, 유기용매 내에 탄화수소계 음이온 전도성 바인더 및 촉매 금속이 2 내지 50 중량% 함유되어 슬러리 상태인 것을 특징으로 하는 연료전지용 양극 조성물을 제공한다.Also, in the present invention, a hydrocarbon-based anion-conducting binder; Catalytic metal; And an organic solvent, wherein the organic solvent contains a hydrocarbon-based anion conductive binder and a catalyst metal in an amount of 2 to 50% by weight and is in a slurry state.

또한, 본원 발명에서는 음이온 전도성 전해질 막을 준비하는 단계: 연료전지용 양극 조성물을 이용하여 촉매층을 형성하는 단계; 상기 촉매층을 건조하는 단계; 및 상기 촉매층을 가열/압착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for preparing an anion-conducting electrolyte membrane, comprising: forming a catalyst layer using a cathode composition for a fuel cell; Drying the catalyst layer; And heating / pressing the catalyst layer. The present invention also provides a method for manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell.

또한, 본원 발명에서는 상기 제조방법에 따라 제조되어, 음이온 전도성 전해질 막; 및 탄화수소계 음이온 전도성 바인더; 및 촉매 금속으로 이루어진 연료전지용 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.In the present invention, an anionic conductive electrolyte membrane, which is produced according to the above-described production method, And a hydrocarbon-based anionic conductive binder; And a cathode for a fuel cell made of a catalytic metal.

이상에서 설명한 바와 같이 본원 발명은 저가의 탄화수소계 소재를 기반으로 하는 음이온 교환소재 바인더를 제공함으로써 경제성이 우수하고 성능 및 내구성이 3우수한 연료전지 막-전극 접합체를 제조할 수 있는 큰 장점이 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the present invention provides a fuel cell membrane-electrode assembly having excellent performance and durability by providing an anion-exchange material binder based on a low-cost hydrocarbon-based material.

본원 발명은 음이온 전도성 바인더를 이용하여 전해질막과 전극의 접착 호환성을 향상시키고, 전극 촉매 입자 사이의 결착력을 유지하며 삼상계면을 구성하게 하는 입체 구조를 형성하는 효과를 가진다. 또한, AEMFC의 성능을 극대화할 수 있다. The present invention has an effect of improving the adhesion compatibility between an electrolyte membrane and an electrode by using an anionic conductive binder, maintaining a binding force between electrode catalyst particles, and forming a three-dimensional structure constituting a three-phase interface. In addition, the performance of the AEMFC can be maximized.

특히, 저가의 촉매를 사용할 수 있으며 산소의 환원반응이 원활하다는 장점으로 인해 기존의 양이온 교환막 연료전지에 비하여 최근 많은 주목을 받고 있는 음이온 교환막 연료전지에 있어서 음이온 교환소재 바인더는 그 상업성을 높일 수 있을 것으로 예상된다.In particular, anion-exchange material binders in the anion exchange membrane fuel cell, which have recently attracted much attention compared to conventional cation exchange membrane fuel cells due to their ability to use low-cost catalysts and smooth oxygen reduction reactions, .

도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따른 할로겐화 고분자의 용매에 대한 용해도를 나타낸 것이다.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 접합체의 제조공정을 나타낸 것이다.
도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 접합체의 연료전지 단일 셀 선능 평가 결과를 나타낸 것이다.
1 shows the solubility of a halogenated polymer in a solvent according to an embodiment of the present invention.
2 shows a process for manufacturing a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the results of single cell performance evaluation of a fuel cell of a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.

이하, 본원 발명에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

본원 발명은 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 AEMFC 바인더용 음이온교환소재에 관한 것이다. The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the same, and a fuel cell system, and more particularly, to an anion exchange material for an AEMFC binder.

고분자 전해질 연료 전지는 일반적으로 이온 전도성을 갖는 고분자 전해질 막의 양측상에, 탄소 분말에 담지된 금속 촉매와 고분자 전해질을 포함하는 이온-전도성 바인더를 포함하는 촉매층이 각각 형성된다. 또한, 촉매층과 가스 확산층의 일체화된 조합은 가스 확산 전극으로 지칭되고, 촉매층이 전해질 막에 대면할 수 있도록 한 쌍의 가스 확산 전극들이 전해질 막에 각각 접합된 구조체는 막-전극 접합체로 지칭한다. In a polymer electrolyte fuel cell, a catalyst layer including a metal catalyst supported on a carbon powder and an ion-conductive binder including a polymer electrolyte is formed on both sides of a polymer electrolyte membrane having ion conductivity. In addition, the integrated combination of the catalyst layer and the gas diffusion layer is referred to as a gas diffusion electrode, and a structure in which a pair of gas diffusion electrodes are respectively bonded to an electrolyte membrane so that the catalyst layer faces the electrolyte membrane is referred to as a membrane-electrode assembly.

이때, 상기 촉매 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)-팔라듐(Pd) 합금, 백 금(Pt)-루테늄(Ru) 합금, 백금(Pt)-이리듐(Ir) 합금, 백금(Pt)-오스뮴 합금, 백금(Pt)-M 합금 (M은 Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Ga 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상) 또는 이 들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.The catalytic metal may be at least one selected from the group consisting of platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), platinum (Pt) V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh) alloy, platinum (Pt) - iridium (Ir) alloy, platinum (Pt) - osmium alloy, platinum , Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Ga, and Sn), or a combination thereof. However, the present invention is not limited thereto.

또한, 이온-전도성 바인더는, 촉매를 결착하고 촉매층에서부터 전해질 막으로의 프로톤 또는 수산화물 이온의 이송을 중재함으로써 촉매의 활용 효율을 강화시키기 위한 목적으로 사용된다.The ion-conductive binder is also used for enhancing the utilization efficiency of the catalyst by binding the catalyst and mediating the transfer of proton or hydroxide ions from the catalyst layer to the electrolyte membrane.

본원 발명의 일 구현예에 따르면, 양극 활성 물질인 백금 촉매와 양극 바인더를 포함하는 고분자 전해질 막 연료 전지용 양극 조성물에 있어서, 상이 양극 바인더는 음이온 교환기를 갖는 탄화수소계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료전지용 양극 조성물을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a positive electrode composition for a polymer electrolyte membrane fuel cell comprising a platinum catalyst as a positive electrode active material and a positive electrode binder, wherein the positive electrode binder comprises a hydrocarbon polymer having an anion- A positive electrode composition for a membrane fuel cell is provided.

본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 하기 화학식 1의 화학구조를 주쇄로 가지는 고분자를 제조하는 탄화수소계 고분자 제조단계; 상기 탄화수소계 고분자를 할로겐화 하는 할로겐화 고분자 제조단계; 상기 할로겐화 고분자를 4차화 반응(quaternization)을 통하여 음이온 전도성기를 가지는 바인더 고분자 제조단계; 및상기 바인더 고분자, 촉매 금속 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하는 전극 슬러리 제조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더를 포함하는 연료전지용 양극 조성물의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above-described problems, the present invention provides a process for producing a hydrocarbon-based polymer, which comprises polymerizing a polymer having a chemical structure represented by Chemical Formula 1 as a main chain; Preparing a halogenated polymer by halogenating the hydrocarbon-based polymer; A step of preparing a binder polymer having an anionic conductive group through quaternization of the halogenated polymer; And an electrode slurry preparation step of mixing the binder polymer, the catalyst metal, and the solvent to prepare a slurry, wherein the binder slurry is prepared by mixing the binder polymer, the catalyst metal, and the solvent.

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서, M과 M’는 단일결합 또는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 NRa-이고, 이때 Ra는 C1 내지 C12 알킬기이며, R1 ~ R8로 표현되는 치환체는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 니트로기, 퍼플루오로알킬기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기 중 어느 하나일 수 있다.Wherein M and M 'are a single bond or an electron donor group, -O-, -S-, -NH- or NR a -, wherein R a is a C 1 to C 12 alkyl group, R 1 to R The substituents represented by R &lt; 8 &gt; each independently represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with a halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, a nitro group, a perfluoroalkyl group, Or a perfluoroalkylaryl group containing a sulfur atom, a perfluoroaryl group or an -O-perfluoroaryl group.

E는 단일결합 또는 전자주게기로서 -O-, -S-, -C34R34’-(R34과 R34’은 각각 독립적으로 수소원자, 알킬기, 아릴기), -NH- 또는 NR35-이고, 이때 R35는 C1 내지 C12 알킬기일 수 있다.E is a single bond or an electron donating group -O-, -S-, -C 34 R 34 '- (R 34 and R 34' is a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, each independently), -NH-, or NR 35 -, wherein R 35 may be a C 1 to C 12 alkyl group.

반복단위의 수인 x는 1 이상 10,000 이하의 정수일 수 있고, 보다 바람직하게는 5 이상 500 이하의 정수일 수 있다.X, which is the number of repeating units, may be an integer of 1 or more and 10,000 or less, and more preferably an integer of 5 or more and 500 or less.

상기 화학식 1에서 Ar은 하기 화학식 2와 같다.In the above formula (1), Ar is as shown in the following formula (2).

<화학식 2>(2)

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 화학식 2에서, Q는 단일결합 또는 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)- 을 포함하는 전자끌게기일 수 있다.In the formula 2, Q is a single bond or - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - include - (C (CF 3) 2 ) Lt; / RTI &gt;

R9 ~ R20로 표현되는 치환체는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 니트로기, 퍼플루오로알킬기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며 본 치환체는 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 별로 동일하거나 상이할 수 있다.The substituents represented by R 9 to R 20 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with a halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, a nitro group, a perfluoroalkyl group, A perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group or a perfluoroaryl group.

본원 발명의 일 구현예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 할로겐화 고분자 제조단계는 클로로 메틸화 반응, 브롬화 반응 또는 요오드화 반응을 통하여 하기 화학식 3의 화학구조를 가지는 할로겐화 고분자를 제조할 수 있다.The halogenated polymer may be prepared by a chloromethylation reaction, a bromination reaction, or an iodination reaction according to an embodiment of the present invention.

<화학식 3>(3)

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 화학식 3의 M, M’, Ar, E는 화학식 1의 그것과 동일하고, W1과 W2는 각각 독립적으로 수소원자이거나 알킬기, (CH2)hX (1≤h≤12)으로 표현되는 염화알킬기, 브롬화알킬기, 요오드화알킬기 또는 에테르기 및 에스테르기를 포함하는 염화알킬기, 브롬화알킬기, 요오드화알킬기이며, R21 ~ R26로 표현되는 치환체는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 니트로기, 퍼플루오로알킬기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기고, 본 치환체는 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 별로 동일하거나 상이할 수 있고, 반복단위의 수인 x는 1이상 10,000이하의 정수일 수 있다. 보다 바람직하게는 5 이상 500 이하의 정수일 수 있다.M, M ', Ar and E in Formula 3 are the same as those in Formula 1, W 1 and W 2 are each independently a hydrogen atom or an alkyl group, represented by (CH 2 ) h X (1 ≦ h ≦ 12) A brominated alkyl group, or an iodinated alkyl group containing an ether group and an ester group, and the substituents represented by R 21 to R 26 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, a halogen A nitro group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group optionally containing at least one oxygen atom, a nitrogen or sulfur atom, a perfluoroaryl group or a perfluoroalkyl group, -O-perfluoroaryl group, and the present substituents may be the same or different in each repeating unit or repeating unit, and x, which is the number of repeating units, may be an integer of 1 or more and 10,000 or less. And more preferably an integer of 5 or more and 500 or less.

본원 발명의 일 구현예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 음이온 전도성기를 가지는 바인더 고분자는 하기 화학식 4의 화학구조를 가지는 것 일 수 있다.In the preparation method according to one embodiment of the present invention, the binder polymer having an anionic conductive group may have a chemical structure represented by the following chemical formula (4).

<화학식 4>&Lt; Formula 4 >

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 화학식 4의 Z1, Z2는 각각 독립적으로 수소원자이거나 (CH2) hM (1≤h≤12) 또는 에테르기 및 에스테르기를 포함하는 (CH2) hM (1≤h≤12)이고, M은 이온교환작용기로서 아민기, 암모늄기, 아미노기, 이민기, 술포늄기, 포스포늄기, 피리딜기, 카바졸릴기 및 이미다졸릴기에서 선택되는 음이온 교환 작용기 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기; 베타인 및 술포베타인에서 선택되는 양쪽성 이온 교환 작용기 및 이들의 조합에서 선택되는 이온 교환체 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기일 수 있다. 보다 바람직하게 음이온 교환 작용기의 형태에 따라 구체적인 예로서 트리에틸아민, 디메틸아민, 디에탄올아민, 아미노알킬포스폰화 화합물, 이미노디아세테이트 혹은 N-메틸글루카민 등이 있고 상기 이온교환 작용기 중 하나 혹은 그 이상을 선택할 수 있다.Z 1, Z 2 of the formula 4 are either each independently a hydrogen atom (CH 2) comprising a h M (1≤h≤12) or an ether group and an ester (CH 2) h M (1≤h≤12) and, M is a ion-exchange functional groups amine group, an ammonium group, an amino group, imine group, sulfonyl nyumgi, phosphorylation nyumgi, a pyridyl group, a carbazolyl group and an imidazole anion exchange functional group selected from thiazolyl group Or an anion exchange functional group in their salt state; An amphoteric ion exchange functional group selected from betaines and sulfobetaines, and combinations thereof, or an anion exchange functional group in the salt form thereof. More specifically, depending on the form of the anion exchange functional group, there may be mentioned, for example, triethylamine, dimethylamine, diethanolamine, aminoalkylphosphonated compounds, iminodiacetate or N-methylglucamine, Or more.

본원 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 음이온 전도성기를 가지는 바인더 고분자의 사용 가능한 예로는 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 폴리페닐술폰 등의 군으로부터 선택되는 단독 또는 2종 이상의 혼합물을 암모늄화시켜 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서 음이온 교환 작용기를 갖는 탄화수소계 고분자는 수 평균 분자량이 1000~100,000이며, 질량평균분자량이 20000~1,000,000인 것이 바람직하다.According to one embodiment of the present invention, examples of usable examples of the binder polymer having an anionic conductive group include a mixture of two or more kinds selected from the group consisting of polyether ether ketone, polyether ketone, polysulfone, polyphenyl sulfone, But it is not limited thereto. Here, the hydrocarbon-based polymer having an anion exchange functional group preferably has a number average molecular weight of 1,000 to 100,000 and a mass average molecular weight of 20,000 to 1,000,000.

본원 발명의 일 구현예에 따르면, 제조한 음이온 전도성기를 가지는 바인더 고분자는 NaHOH, KOH 등 수산화 이온을 낼 수 있는 시약의 용액을 이용하여 수산화이온으로 이온 교환한 후 건조하여 얻을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the binder polymer having an anionic conductive group can be obtained by ion-exchanging a hydroxide ion with a solution of a reagent capable of releasing hydroxide ions such as NaOH, KOH, and then drying.

본원 발명의 일 구현예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 촉매 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)-팔라듐(Pd) 합금, 백금(Pt)-루테늄(Ru) 합금, 백금(Pt)-이리듐(Ir) 합금, 백금(Pt)-오스뮴 합금, 백금(Pt)-M 합금(단, M은 Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Ga 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 본원 발명의 일 구현예에 따르면, 백금 촉매는 탄소에 60% 이하로 담지 된 백금 촉매를 사용할 수 있다.The catalyst metal may be at least one selected from the group consisting of platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), platinum ) Alloy, platinum (Pt) -ruthenium (Ru) alloy, platinum-iridium (Ir) alloy, platinum-osmium alloy, platinum- At least one selected from the group consisting of Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Ga and Sn) . According to one embodiment of the present invention, a platinum catalyst supported on carbon at 60% or less can be used.

본원 발명의 일 구현예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 용매는 물, 알코올 및 2개 이상의 알코올기를 함유하는 유기용매 중에서 선택될 수 있고, 상기 슬러리는 바인더 고분자 및 촉매 금속의 총량은 슬러리 총량 기준 2 내지 50 중량%일 수 있다.In the preparation method according to one embodiment of the present invention, the solvent may be selected from water, an alcohol and an organic solvent containing two or more alcohol groups, and the total amount of the binder polymer and the catalyst metal is in the range of 2 To 50% by weight.

또한, 일 구현예에 따르면 바인더 고분자는 음이온 교환 작용기를 갖는 탄화수소계 고분자를 전제 양극 조성물 대비 10-50% 중량비로 첨가함이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 10% 미만으로 첨가하는 경우 양극 활성 촉매의 지지 및 분산 역할과 수산화 이온의 전도 역할이 미미하여 바인더로서의 역할을 할 수 없게 된다. Also, according to one embodiment, the binder polymer is preferably added at a weight ratio of 10 to 50% of the hydrocarbon polymer having an anion exchange functional group to the total cathode composition, but the present invention is not limited thereto. If it is added in an amount of less than 10%, the support and dispersion of the positive electrode active catalyst and the conductive role of the hydroxide ion are insignificant and can not serve as a binder.

보다 구체적으로 본원 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 접합체(MEA)용 바인더 슬러리의 제조 방법은 음이온전도성 고분자 바인더 소재를 물 혹은 알코올계 용매에 녹여서 제조할 수 있다. 이온전도성 바인더 소재는 앞의 일반식과 같으며, 이때 용매는 탈이온수(DI water), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 1-프로판올(1-propanol), 이소프로판올(isopropanol), 및 2개 이상의 알코올기를 포함하고 있는 유기용매 중에서 선택될 수 있다. 고분자 바인더의 사용량은 용매 대비 1~50 wt%가 사용될 수 있으며 바람직하게는 2~20 wt%가 사용될 수 있다. 고분자 바인더와 용매의 혼합은 가압반응기를 통해 시행하며 반응 압력은 1~1000a tm으로 설정할 수 있으며 바람직하게는 1~300 atm으로 설정이 가능하다. 온도는 25~300℃로 설정가능하며 바람직하게는 100~250 ℃로 설정이 가능하다. 반응시간은 1~72hr으로 설정가능하며 바람직하게는 12~48hr으로 설정이 가능하다.More specifically, the binder slurry for a membrane-electrode assembly (MEA) according to an embodiment of the present invention can be prepared by dissolving an anionic conductive polymeric binder material in a water or alcohol solvent. The ion conductive binder material is the same as the above general formula wherein the solvent is selected from the group consisting of DI water, methanol, ethanol, 1-propanol, isopropanol, And an organic solvent containing an alcohol group. The amount of the polymer binder to be used may be 1 to 50 wt%, preferably 2 to 20 wt%, based on the solvent. The mixing of the polymer binder and the solvent is carried out through a pressure reactor, and the reaction pressure can be set to 1 to 1000 a tm, preferably 1 to 300 atm. The temperature can be set to 25 to 300 ° C, preferably 100 to 250 ° C. The reaction time can be set from 1 to 72 hours, preferably from 12 to 48 hours.

상기 기술한 방법으로 슬러리를 제조하였으며, 촉매와 이온전도성 바인더를 결착시켜주기 위해 초음파 조사(sonication) 단계와 교반(stirring)의 단계를 거칠 수 있고, 이러한 결착을 위한 단계를 거치는데 시간의 제한을 두지는 않는다.The slurry was prepared by the above-described method, and sonication and stirring were performed to bind the catalyst and the ion conductive binder, and the time for the binding step was limited I do not.

또한, 본원 발명에서는 하기 화학식 4의 화학구조를 가지는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더; 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)-팔라듐(Pd) 합금, 백금(Pt)-루테늄(Ru) 합금, 백금(Pt)-이리듐(Ir) 합금, 백금(Pt)-오스뮴 합금, 백금(Pt)-M 합금(단, M은 Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Ga 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 또는 이들의 혼합물인 촉매 금속; 및 물, 알코올 및 2개 이상의 알코올기를 함유하는 유기용매를 포함하고, 유기용매 내에 탄화수소계 음이온 전도성 바인더 및 촉매 금속이 2 내지 50 중량% 함유되어 슬러리 상태인 것을 특징으로 하는 연료전지용 양극 조성물을 제공한다.The present invention also provides a hydrocarbon-based anionic conductive binder having a chemical structure represented by the following Chemical Formula 4: (Pt), palladium (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), platinum (M is at least one element selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh, Ni, Cu, At least one selected from the group consisting of Ag, Au, Zn, Ga and Sn) or a mixture thereof; And an organic solvent containing water, an alcohol and two or more alcohol groups, wherein the organic solvent contains a hydrocarbon-based anion conductive binder and a catalyst metal in an amount of 2 to 50% by weight in a slurry state do.

<화학식 4>&Lt; Formula 4 >

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 화학식 4의 Z1, Z2는 각각 독립적으로 수소원자이거나 (CH2) hM (1≤h≤12) 또는 에테르기 및 에스테르기를 포함하는 (CH2) hM (1≤h≤12)이고, M은 이온교환작용기로서 아민기, 암모늄기, 아미노기, 이민기, 술포늄기, 포스포늄기, 피리딜기, 카바졸릴기 및 이미다졸릴기에서 선택되는 음이온 교환 작용기 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기; 베타인 및 술포베타인에서 선택되는 양쪽성 이온 교환 작용기 및 이들의 조합에서 선택되는 이온 교환체 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기일 수 있다.Z 1, Z 2 of the formula 4 are either each independently a hydrogen atom (CH 2) comprising a h M (1≤h≤12) or an ether group and an ester (CH 2) h M (1≤h≤12) and, M is a ion-exchange functional groups amine group, an ammonium group, an amino group, imine group, sulfonyl nyumgi, phosphorylation nyumgi, a pyridyl group, a carbazolyl group and an imidazole anion exchange functional group selected from thiazolyl group Or an anion exchange functional group in their salt state; An amphoteric ion exchange functional group selected from betaines and sulfobetaines, and combinations thereof, or an anion exchange functional group in the salt form thereof.

Ar은 하기 화학식 2와 같고,Ar is as shown in the following formula (2)

<화학식 2>(2)

Figure pat00006
Figure pat00006

상기 화학식 2에서, Q는 단일결합 또는 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)- 을 포함하는 전자끌게기이고,In the formula 2, Q is a single bond or - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - include - (C (CF 3) 2 ) Lt; / RTI &gt;

R9 ~ R20로 표현되는 치환체는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 니트로기, 퍼플루오로알킬기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며 본 치환체는 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 별로 동일하거나 상이할 수 있다.The substituents represented by R 9 to R 20 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with a halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, a nitro group, a perfluoroalkyl group, A perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group or a perfluoroaryl group.

또한, 본원 발명에서는 음이온 전도성 전해질 막을 준비하는 단계: 상기 음이온 전도성 전해질막에 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 연료전지용 양극 조성물을 이용하여 촉매층을 형성하는 단계; 상기 촉매층을 건조하는 단계; 및 상기 촉매층을 가열/압착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a process for preparing an anionic conductive electrolyte membrane, comprising: forming a catalyst layer on the anionic conductive electrolyte membrane using the cathode composition for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6; Drying the catalyst layer; And heating / pressing the catalyst layer. The present invention also provides a method for manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell.

본원 발명의 일 구현예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 촉매층을 형성하는 단계는 CCM법(catalyst coated membrane) 또는 CCG법(catalyst coated gas diffusion layer) 중 어느 하나를 이용하는 것일 수 있고, 보다 바람직하게는 데칼(decal)법, 스프리이(spray)법, 브러쉬(brush)법 등이 존재하지만, 제조방법에 있어서 제한을 두지는 아니한다. 이때, 촉매층의 건조에 있어서는 온도는 80 ℃ 이상에서 건조를 하며, 시간의 제한을 두지는 않는다. 또한, 가열 압착 단계에서 막-전극접합체 제조 조건은 100 ℃ 이상의 온도를 사용할 수 있으며, 압력은 10 kgf/cm2 이상의 압력을 사용할 수 있고, 음이온 전도성 바인더가 분해(degradation) 되지 않는 온도와 압력으로 제한한다. In the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the forming of the catalyst layer may be performed using a catalyst coated membrane (CCM) or a catalyst coated gas diffusion layer (CCG) A decal method, a spray method, a brush method, and the like, but there is no limitation on the production method. At this time, the drying of the catalyst layer is performed at a temperature of 80 ° C or higher, and the time is not limited. In addition, in the heat-pressing step, the membrane-electrode assembly manufacturing conditions can be a temperature of 100 ° C or higher, a pressure of 10 kgf / cm 2 or higher can be used, and anion conductive binder is limited to a temperature and a pressure that are not degraded do.

또한, 본원 발명의 일 구현예에 따르면 연료전지용 양극 조성물은 양극 활성물질인 백금 촉매와 양극 바인더를 포함하며, 제조한 슬러리를 기체확산층 위에 스프레이 코터(spray coater)로 도포하여 촉매층을 제조할 수도 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the cathode composition for a fuel cell includes a platinum catalyst, which is a cathode active material, and a cathode binder, and the prepared slurry is coated on a gas diffusion layer with a spray coater to produce a catalyst layer .

또한, 본원 발명에서는 상기 제조방법에 따라 제조되어, 음이온 전도성 전해질 막; 및 하기 화학식 4의 화학구조를 가지는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더; 및 촉매 금속으로 이루어진 연료전지용 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.In the present invention, an anionic conductive electrolyte membrane, which is produced according to the above-described production method, And a hydrocarbon-based anion conductive binder having a chemical structure represented by the following formula (4); And a cathode for a fuel cell made of a catalytic metal.

<화학식 4>&Lt; Formula 4 >

Figure pat00007
Figure pat00007

상기 화학식 4의 Z1, Z2는 각각 독립적으로 수소원자이거나 (CH2) hM (1≤h≤12) 또는 에테르기 및 에스테르기를 포함하는 (CH2) hM (1≤h≤12)이고, M은 이온교환작용기로서 아민기, 암모늄기, 아미노기, 이민기, 술포늄기, 포스포늄기, 피리딜기, 카바졸릴기 및 이미다졸릴기에서 선택되는 음이온 교환 작용기 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기; 베타인 및 술포베타인에서 선택되는 양쪽성 이온 교환 작용기 및 이들의 조합에서 선택되는 이온 교환체 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기일 수 있다.Z 1, Z 2 of the formula 4 are either each independently a hydrogen atom (CH 2) comprising a h M (1≤h≤12) or an ether group and an ester (CH 2) h M (1≤h≤12) and, M is a ion-exchange functional groups amine group, an ammonium group, an amino group, imine group, sulfonyl nyumgi, phosphorylation nyumgi, a pyridyl group, a carbazolyl group and an imidazole anion exchange functional group selected from thiazolyl group Or an anion exchange functional group in their salt state; An amphoteric ion exchange functional group selected from betaines and sulfobetaines, and combinations thereof, or an anion exchange functional group in the salt form thereof.

Ar은 하기 화학식 2와 같고,Ar is as shown in the following formula (2)

<화학식 2>(2)

Figure pat00008
Figure pat00008

상기 화학식 2에서, Q는 단일결합 또는 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)- 을 포함하는 전자끌게기이고,In the formula 2, Q is a single bond or - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - include - (C (CF 3) 2 ) Lt; / RTI &gt;

R9 ~ R20로 표현되는 치환체는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 니트로기, 퍼플루오로알킬기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며 본 치환체는 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 별로 동일하거나 상이할 수 있다.The substituents represented by R 9 to R 20 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with a halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, a nitro group, a perfluoroalkyl group, A perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group or a perfluoroaryl group.

이하, 본원 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면과 같이 본원이 속하는 기술 분야에서 일반적인 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 본원의 구현 예 및 실시 예를 상세히 설명한다. 특히 이것에 의해 본원 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한을 받지 않는다. 또한, 본원 발명의 내용은 여러 가지 다른 형태의 장비로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현 예 및 실시 예에 한정되지 않는다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more clearly understood from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. In particular, the technical idea of the present invention and its core structure and action are not limited by this. In addition, the content of the present invention can be implemented by various other types of equipment, and is not limited to the embodiments and examples described herein.

1. 탄화수소계 음이온 전도성 바인더의 제조1. Preparation of Hydrocarbon Type Anionic Conductive Binder

본원 발명의 일 구현예에 따른 탄화수소계 음이온 전도성 바인더는 하기의 방법에 따라 제조하였다.The hydrocarbon-based anionic conductive binder according to one embodiment of the present invention was prepared by the following method.

먼저, 아르곤 분위기로 치환된 플라스크에 라델(radel) (9.0g)을 180mL의 1,1,2,2-tetrachloroethane에 용해시켜준다. 용해된 용액에 들어있는 플라스크를 아이스베스를 사용하여 0 ℃로 맞춰준 뒤, 염화아연(zinc chloride)을 첨가해준다. 염화안연을 첨가한 뒤 30분정도 후에, 클로로메틸 메틸 에테르(chloromethyl methyl ether)를 천천히 라델(radel)이 녹아있는 용액에 방울방울 첨가시켜준다. 반응은 60도에서 24 시간동안 아르곤 환경하에서 진행해준다. 반응 후 상온의 온도까지 식혀준 후 1L의 메탄올에 침전시켜주고 필터링 하였다. 고분자를 1.5L의 메탄올에 12시간동안 씻어주고 60도의 진공오븐에서 건조시켜준다. 이 과정을 거쳐 최종적으로 기능화도(degree of functionalization: DF)가 0.89인 하기 화학식 5의 염화메틸 라델(chloromethylated Radel)을 얻었다.First, radlets (9.0 g) are dissolved in 180 mL of 1,1,2,2-tetrachloroethane in a flask substituted with argon atmosphere. The flask in the dissolved solution is adjusted to 0 ° C with ice bath and zinc chloride is added. After about 30 minutes, add chloromethyl methyl ether slowly to the solution in which the radel melts. The reaction proceeds under an argon atmosphere at 60 ° C for 24 hours. After the reaction, the reaction mixture was cooled to room temperature and then precipitated in 1 L of methanol and filtered. The polymer is washed in 1.5 L of methanol for 12 hours and then dried in a 60 degree vacuum oven. Through this process, a chloromethylated Radel of formula (5) with a degree of functionalization (DF) of 0.89 was finally obtained.

<화학식 5>&Lt; Formula 5 >

Figure pat00009
Figure pat00009

제조한 염화메틸 라델 0.5 g을 10 mL의 N-메틸피롤리돈(NMP)와 디메틸아세트아미드(DMAc) 용매에 용해도를 시험하여 그 결과를 하기 표 1 및 도 1에 나타내었다. 하기 표 1 및 도 1에서 알 수 있듯이 제조한 염화메틸 라델은 N-메틸피롤리돈(NMP)와 디메틸아세트아미드(DMAc) 용매에 완전히 용해되었다.The solubility of 0.5 g of the prepared methyl rradle in 10 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and dimethylacetamide (DMAc) was tested. The results are shown in Table 1 and FIG. As shown in Table 1 and FIG. 1, the methyl chloride rradle was completely dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP) and dimethylacetamide (DMAc) solvent.

샘플Sample 기능화도(DF)Functionalization (DF) NMPNMP DMAcDMAc 염화메틸 라델Methyl rudel chloride 0.890.89 완전 용해Completely dissolved 완전 용해Completely dissolved

이후, 염화메틸 라델(DF=0.89)을 디메틸아세트아미드(DMAc)에 5wt%로 녹여준다. 라운드플라스크에 트리메틸아민(trimethylamine) 용액을 염화메틸 라델의 3당량으로 천천히 방울방울 첨가하여 24시간, 상온, 아르곤 환경에서 기계적 교반을 하면서 반응하였다. 이후 용액 대비 10배의 0.5M NaOH에 침전시켜준다. 침전과정은 처음 30분 동안 교반 후, 감압여과를 통해 고분자를 얻어낸 뒤, 얻어진 고분자를 과량의 증류수에 하루 동안 교반해준다. 필터 후 80도 진공오븐에서 건조하여 하기 화학식 6의 탄화수소계 음이온 전도성 바인더를 제조하였다.Then, methyl chloride (DF = 0.89) was dissolved in dimethylacetamide (DMAc) at 5 wt%. In a round flask, a trimethylamine solution was slowly added dropwise to 3 equivalents of a methyl chloride ladle and reacted for 24 hours at room temperature under an argon atmosphere with mechanical stirring. Then, the solution is precipitated in 10 times 0.5 M NaOH relative to the solution. In the precipitation process, after stirring for the first 30 minutes, the polymer is obtained by filtration under reduced pressure, and the obtained polymer is stirred for one day in an excessive amount of distilled water. After the filter was dried at 80 degrees in a vacuum oven, a hydrocarbon-based anionic conductive binder represented by the following Formula 6 was prepared.

<화학식 6>(6)

Figure pat00010
Figure pat00010

2. 탄화수소계 음이온 전도성 바인더 용액의 제조2. Preparation of Hydrocarbon-Based Anionic Conductive Binder Solution

앞서 기재한 제조방법에 따라 제조한 탄화수소계 음이온 전도성 바인더를 가압반응기를 사용하여 190도에서 15시간동안 가열하여 이소프로판올(IPA)에 분산 및 여과 추출을 통하여 탄화수소계 음이온 전도성 바인더가 이소프로판올(IPA)에 용해된 최종 용액을 제조하였다.The hydrocarbon-based anionic conductive binder prepared according to the above-described production method was heated at 190 DEG C for 15 hours using a pressure reactor, and dispersed in isopropanol (IPA) and filtered to obtain a hydrocarbon-based anionic conductive binder, which was added to isopropanol The dissolved final solution was prepared.

3. 막-전극 접합체의 제조3. Preparation of membrane-electrode assembly

본원 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 접합체는 표 2에 기재한 조성으로 도 2에 표시한 순서에 따라 제조하였다.The membrane-electrode assembly according to one embodiment of the present invention was produced according to the procedure shown in Fig. 2 in the composition shown in Table 2.

먼저 Pt/C 촉매 0.3g과 탈이온수를 혼합하여 교반한 후 1-프로판올을 투입하였다. 그 후 상기 제조방법에 따라 제조한 탄화수소계 음이온 전도성 바인더를 투입하고 500 rpm의 자석교반기를 이용하여 1시간 교반, 1시간의 초음파 조사 및 500 rpm으로 2시간 자석교반을 통하여 촉매 슬러리를 제조하였다.First, 0.3 g of Pt / C catalyst and deionized water were mixed and stirred, and 1-propanol was added thereto. Thereafter, the hydrocarbon-based anionic conductive binder prepared according to the above-mentioned preparation method was charged and stirred for 1 hour by using a magnetic stirrer at 500 rpm, for 1 hour by ultrasonic irradiation and at 500 rpm for 2 hours by magnetic stirring to prepare a catalyst slurry.

제조한 촉매 슬러리를 스프레이 코터(spray coater)를 이용하여 CCG법(catalyst coated gas diffusion layer)을 이용하여 분사하였다. 이후 촉매 코팅(catalyst coated) GDL 방식으로 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였다.The prepared catalyst slurry was sprayed using a catalyst coated gas diffusion layer (CCG) using a spray coater. Then, a membrane-electrode assembly (MEA) was prepared by a catalyst coated GDL method.

Pt/C (g)Pt / C (g) H2O (g)H2O (g) 1-Propanol (g)1-Propanol (g) 바인더 (g)Binder (g) 실시예Example 0.30.3 1.13571.1357 2.13572.1357 2.57142.5714 비교예Comparative Example 0.30.3 1.13571.1357 2.13572.1357 2.57142.5714

비교예: 종래의 바인더 AS-4(anion exchange ionomer from Tokuyama corporation )사용Comparative Example: Use of Conventional Binder AS-4 (anion exchange ionomer from Tokuyama corporation)

4. 막-전극 접합체의 연료전지 단일 셀 성능 평가4. Fuel cell single cell performance evaluation of membrane-electrode assembly

상기 제조방법으로 제조된 실시예 및 비교예의 막-전극 접합체의 셀 성능을 측정하기 위하여 방전기(electric load)로 방전하여 전류밀도에 따른 전압의 변화를 측정하였다. 이때의 셀 구동 조건은 이온교환막은 비교예와 실시예의 막이 같으며 두께는 25 ㎛, 30mm x 60mm의 크기로 측정, 온도는 60 oC, 수소 공급량은 600cc/min 산소 또는 공기 공급량은 1000cc/min 으로 유지하였으며, 활성면적은 5 cm2 이었다. 상기 실시예와 비교예에 상용된 이온교환막은 전처리로 1M NaOH에 하루동안 이온교환을 시켜주었으며, 건조된 상태에서 측정을 진행하여 그 결과를 도 3에 나타내었다.In order to measure the cell performance of the membrane-electrode assemblies of the examples and comparative examples prepared by the above-mentioned production method, a change in the voltage according to the current density was measured by discharging with an electric load. The cell operating conditions are the same as those of the comparative example and the example. The thickness of the ion exchange membrane is 25 μm and the size is 30 mm × 60 mm. The temperature is 60 ° C. The hydrogen supply amount is 600 cc / min. And the active area was 5 cm &lt; 2 &gt;. The ion exchange membranes used in the Examples and Comparative Examples were subjected to ion exchange in 1 M NaOH for 1 day as a pretreatment, and the measurement was carried out in a dried state. The results are shown in FIG.

본원 발명의 실시예의 경우 전류 밀도에 대한 전압은 비교예와 차이가 없었으나, 전류 밀도에 대한 출력밀도(power density)는 비교예에 비하여 우수함을 알 수 있다.In the embodiment of the present invention, the voltage for the current density is not different from the comparative example, but the power density with respect to the current density is superior to the comparative example.

Claims (10)

하기 화학식 1의 화학구조를 주쇄로 가지는 고분자를 제조하는 탄화수소계 고분자 제조단계;
상기 탄화수소계 고분자를 할로겐화 하는 할로겐화 고분자 제조단계;
상기 할로겐화 고분자를 4차화 반응(quaternization)을 통하여 음이온 전도성기를 가지는 바인더 고분자 제조단계; 및
상기 바인더 고분자, 촉매 금속 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하는 전극 슬러리 제조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더를 포함하는 연료전지용 양극 조성물의 제조방법:
<화학식 1>
Figure pat00011

상기 화학식 1에서, M과 M’는 단일결합 또는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 NRa-이고, 이때 Ra는 C1 내지 C12 알킬기이며, R1 ~ R8로 표현되는 치환체는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 니트로기, 퍼플루오로알킬기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기중 어느 하나이고,
E는 단일결합 또는 전자주게기로서 -O-, -S-, -C34R34’-(R34과 R34’은 각각 독립적으로 수소원자, 알킬기, 아릴기), -NH- 또는 NR35-이고, 이때 R35는 C1 내지 C12 알킬기며,
반복단위의 수인 x는 1이상 10,000이하의 정수이고,
Ar은 하기 화학식 2와 같고,
<화학식 2>
Figure pat00012

상기 화학식 2에서, Q는 단일결합 또는 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)- 을 포함하는 전자끌게기이고,
R9 ~ R20로 표현되는 치환체는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 니트로기, 퍼플루오로알킬기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며 본 치환체는 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 별로 동일하거나 상이할 수 있다.
A step of preparing a hydrocarbon-based polymer to produce a polymer having a chemical structure of the following formula (1) as a main chain;
Preparing a halogenated polymer by halogenating the hydrocarbon-based polymer;
A step of preparing a binder polymer having an anionic conductive group through quaternization of the halogenated polymer; And
A binder metal, a catalyst metal, and a solvent to prepare a slurry. The method for producing a cathode composition for a fuel cell according to claim 1,
&Lt; Formula 1 >
Figure pat00011

Wherein M and M 'are a single bond or an electron donor group, -O-, -S-, -NH- or NR a -, wherein R a is a C 1 to C 12 alkyl group, R 1 to R The substituents represented by R &lt; 8 &gt; each independently represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with a halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, a nitro group, a perfluoroalkyl group, Or a perfluoroalkylaryl group containing a sulfur atom, a perfluoroaryl group or an -O-perfluoroaryl group,
E is a single bond or an electron donating group -O-, -S-, -C 34 R 34 '- (R 34 and R 34' is a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, each independently), -NH-, or NR 35 -, wherein R 35 is a C 1 to C 12 alkyl group,
X, which is the number of repeating units, is an integer of 1 or more and 10,000 or less,
Ar is as shown in the following formula (2)
(2)
Figure pat00012

In the formula 2, Q is a single bond or - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - include - (C (CF 3) 2 ) Lt; / RTI &gt;
The substituents represented by R 9 to R 20 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with a halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, a nitro group, a perfluoroalkyl group, A perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group or a perfluoroaryl group.
청구항 1에 있어서,
상기 할로겐화 고분자 제조단계는 클로로 메틸화 반응, 브롬화 반응 또는 요오드화 반응을 통하여 하기 화학식 3의 화학구조를 가지는 할로겐화 고분자를 제조하는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더를 포함하는 연료전지용 양극 조성물의 제조방법:
<화학식 3>
Figure pat00013

상기 화학식 3의 M, M’, Ar, E는 화학식 1의 그것과 동일하고, W1과 W2는 각각 독립적으로 수소원자이거나 알킬기, (CH2)hX (1≤h≤12)으로 표현되는 염화알킬기, 브롬화알킬기, 요오드화알킬기 또는 에테르기 및 에스테르기를 포함하는 염화알킬기, 브롬화알킬기, 요오드화알킬기이며, R21 ~ R26로 표현되는 치환체는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 니트로기, 퍼플루오로알킬기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기고, 본 치환체는 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 별로 동일하거나 상이할 수 있고, 반복단위의 수인 x는 1이상 10,000이하의 정수이다.
The method according to claim 1,
Wherein the step of preparing the halogenated polymer comprises preparing a halogenated polymer having a chemical structure represented by Chemical Formula 3 through a chloromethylation reaction, a bromination reaction, or an iodination reaction.
(3)
Figure pat00013

M, M ', Ar and E in Formula 3 are the same as those in Formula 1, W 1 and W 2 are each independently a hydrogen atom or an alkyl group, represented by (CH 2 ) h X (1 ≦ h ≦ 12) A brominated alkyl group, or an iodinated alkyl group containing an ether group and an ester group, and the substituents represented by R 21 to R 26 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, a halogen A nitro group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group optionally containing at least one oxygen atom, a nitrogen or sulfur atom, a perfluoroaryl group or a perfluoroalkyl group, -O-perfluoroaryl group, and the present substituents may be the same or different in each repeating unit or repeating unit, and x, which is the number of repeating units, is an integer of 1 or more and 10,000 or less.
청구항 1에 있어서,
상기 음이온 전도성기를 가지는 바인더 고분자는 하기 화학식 4의 화학구조를 가지는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더를 포함하는 연료전지용 양극 조성물의 제조방법:
<화학식 4>
Figure pat00014

상기 화학식 4의 Z1, Z2는 각각 독립적으로 수소원자이거나 (CH2) hM (1≤h≤12) 또는 에테르기 및 에스테르기를 포함하는 (CH2) hM (1≤h≤12)이고, M은 이온교환작용기로서 아민기, 암모늄기, 아미노기, 이민기, 술포늄기, 포스포늄기, 피리딜기, 카바졸릴기 및 이미다졸릴기에서 선택되는 음이온 교환 작용기 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기; 베타인 및 술포베타인에서 선택되는 양쪽성 이온 교환 작용기 및 이들의 조합에서 선택되는 이온 교환체 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기이다.
The method according to claim 1,
Wherein the binder polymer having an anionic conductive group has a chemical structure represented by the following formula (4): < EMI ID =
&Lt; Formula 4 &gt;
Figure pat00014

Z 1, Z 2 of the formula 4 are either each independently a hydrogen atom (CH 2) comprising a h M (1≤h≤12) or an ether group and an ester (CH 2) h M (1≤h≤12) and, M is a ion-exchange functional groups amine group, an ammonium group, an amino group, imine group, sulfonyl nyumgi, phosphorylation nyumgi, a pyridyl group, a carbazolyl group and an imidazole anion exchange functional group selected from thiazolyl group Or an anion exchange functional group in their salt state; An amphoteric ion exchange functional group selected from betaines and sulphobetaines, and combinations thereof, or anion exchange functional groups in their salt form.
청구항 1에 있어서,
상기 촉매 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)-팔라듐(Pd) 합금, 백금(Pt)-루테늄(Ru) 합금, 백금(Pt)-이리듐(Ir) 합금, 백금(Pt)-오스뮴 합금, 백금(Pt)-M 합금(단, M은 Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Ga 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더를 포함하는 연료전지용 양극 조성물의 제조방법.
The method according to claim 1,
The catalyst metal may be at least one selected from the group consisting of Pt, Pd, Ru, Ir, Os, Pt-Pd, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh, Pt, and the like), platinum (Pt), iridium (Ir) At least one selected from the group consisting of Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Ga and Sn) or a mixture thereof. &Lt; / RTI &gt;
청구항 1에 있어서,
상기 용매는 물, 알코올 및 2개 이상의 알코올기를 함유하는 유기용매 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더를 포함하는 연료전지용 양극 조성물의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solvent is selected from water, an alcohol, and an organic solvent containing at least two alcohol groups.
청구항 1에 있어서,
상기 슬러리는 바인더 고분자 및 촉매 금속의 총량은 슬러리 총량 기준 2 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더를 포함하는 연료전지용 양극 조성물의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the total amount of the binder polymer and the catalyst metal in the slurry is 2 to 50 wt% based on the total amount of the slurry.
하기 화학식 4의 화학구조를 가지는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더;
백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)-팔라듐(Pd) 합금, 백금(Pt)-루테늄(Ru) 합금, 백금(Pt)-이리듐(Ir) 합금, 백금(Pt)-오스뮴 합금, 백금(Pt)-M 합금(단, M은 Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Ga 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 또는 이들의 혼합물인 촉매 금속; 및
물, 알코올 및 2개 이상의 알코올기를 함유하는 유기용매를 포함하고, 유기용매 내에 탄화수소계 음이온 전도성 바인더 및 촉매 금속이 2 내지 50 중량% 함유되어 슬러리 상태인 것을 특징으로 하는 연료전지용 양극 조성물:
<화학식 4>
Figure pat00015

상기 화학식 4의 Z1, Z2는 각각 독립적으로 수소원자이거나 (CH2) hM (1≤h≤12) 또는 에테르기 및 에스테르기를 포함하는 (CH2) hM (1≤h≤12)이고, M은 이온교환작용기로서 아민기, 암모늄기, 아미노기, 이민기, 술포늄기, 포스포늄기, 피리딜기, 카바졸릴기 및 이미다졸릴기에서 선택되는 음이온 교환 작용기 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기; 베타인 및 술포베타인에서 선택되는 양쪽성 이온 교환 작용기 및 이들의 조합에서 선택되는 이온 교환체 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기이고,
Ar은 하기 화학식 2와 같고,
<화학식 2>
Figure pat00016

상기 화학식 2에서, Q는 단일결합 또는 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)- 을 포함하는 전자끌게기이고,
R9 ~ R20로 표현되는 치환체는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 니트로기, 퍼플루오로알킬기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며 본 치환체는 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 별로 동일하거나 상이할 수 있다.
A hydrocarbon-based anionic conductive binder having a chemical structure represented by the following Chemical Formula 4;
(Pt), palladium (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), platinum (M is at least one element selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh, Ni, Cu, At least one selected from the group consisting of Ag, Au, Zn, Ga and Sn) or a mixture thereof; And
Wherein the organic solvent comprises water, an alcohol and at least two alcohol groups, and the hydrocarbon-based anion conductive binder and the catalyst metal are contained in an organic solvent in a slurry state in an amount of 2 to 50% by weight.
&Lt; Formula 4 >
Figure pat00015

Z 1, Z 2 of the formula 4 are either each independently a hydrogen atom (CH 2) comprising a h M (1≤h≤12) or an ether group and an ester (CH 2) h M (1≤h≤12) and, M is a ion-exchange functional groups amine group, an ammonium group, an amino group, imine group, sulfonyl nyumgi, phosphorylation nyumgi, a pyridyl group, a carbazolyl group and an imidazole anion exchange functional group selected from thiazolyl group Or an anion exchange functional group in their salt state; An anion exchange functional group selected from an amphoteric ion exchange functional group selected from betaines and sulfobetaines, and a combination thereof, or an anion exchange functional group in a salt form thereof,
Ar is as shown in the following formula (2)
(2)
Figure pat00016

In the formula 2, Q is a single bond or - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - include - (C (CF 3) 2 ) Lt; / RTI &gt;
The substituents represented by R 9 to R 20 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with a halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, a nitro group, a perfluoroalkyl group, A perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group or a perfluoroaryl group.
음이온 전도성 전해질 막을 준비하는 단계:
상기 음이온 전도성 전해질막에 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 연료전지용 양극 조성물을 이용하여 촉매층을 형성하는 단계;
상기 촉매층을 건조하는 단계; 및
상기 촉매층을 가열/압착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
Preparing an anionic conductive electrolyte membrane;
Forming a catalyst layer on the anionically conductive electrolyte membrane by using the cathode composition for a fuel cell produced according to any one of claims 1 to 6;
Drying the catalyst layer; And
And heating / pressing the catalyst layer. The method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to claim 1,
청구항 8에 있어서,
상기 촉매층을 형성하는 단계는 CCM법 또는 CCG법 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
The method of claim 8,
Wherein the step of forming the catalyst layer comprises using either a CCM method or a CCG method.
청구항 8의 제조방법에 따라 제조되어,
음이온 전도성 전해질 막; 및
하기 화학식 4의 화학구조를 가지는 탄화수소계 음이온 전도성 바인더; 및 촉매 금속으로 이루어진 연료전지용 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체:
<화학식 4>
Figure pat00017

상기 화학식 4의 Z1, Z2는 각각 독립적으로 수소원자이거나 (CH2) hM (1≤h≤12) 또는 에테르기 및 에스테르기를 포함하는 (CH2) hM (1≤h≤12)이고, M은 이온교환작용기로서 아민기, 암모늄기, 아미노기, 이민기, 술포늄기, 포스포늄기, 피리딜기, 카바졸릴기 및 이미다졸릴기에서 선택되는 음이온 교환 작용기 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기; 베타인 및 술포베타인에서 선택되는 양쪽성 이온 교환 작용기 및 이들의 조합에서 선택되는 이온 교환체 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기이고,
Ar은 하기 화학식 2와 같고,
<화학식 2>
Figure pat00018

상기 화학식 2에서, Q는 단일결합 또는 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)- 을 포함하는 전자끌게기이고,
R9 ~ R20로 표현되는 치환체는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 니트로기, 퍼플루오로알킬기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며 본 치환체는 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 별로 동일하거나 상이할 수 있다.
The process according to claim 8,
Anionic conductive electrolyte membrane; And
A hydrocarbon-based anionic conductive binder having a chemical structure represented by the following Chemical Formula 4; And a cathode for a fuel cell made of a catalytic metal. The membrane-electrode assembly for a fuel cell according to claim 1,
&Lt; Formula 4 >
Figure pat00017

Z 1, Z 2 of the formula 4 are either each independently a hydrogen atom (CH 2) comprising a h M (1≤h≤12) or an ether group and an ester (CH 2) h M (1≤h≤12) and, M is a ion-exchange functional groups amine group, an ammonium group, an amino group, imine group, sulfonyl nyumgi, phosphorylation nyumgi, a pyridyl group, a carbazolyl group and an imidazole anion exchange functional group selected from thiazolyl group Or an anion exchange functional group in their salt state; An anion exchange functional group selected from an amphoteric ion exchange functional group selected from betaines and sulfobetaines, and a combination thereof, or an anion exchange functional group in a salt form thereof,
Ar is as shown in the following formula (2)
(2)
Figure pat00018

In the formula 2, Q is a single bond or - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - include - (C (CF 3) 2 ) Lt; / RTI &gt;
The substituents represented by R 9 to R 20 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with a halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, a nitro group, a perfluoroalkyl group, A perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group or a perfluoroaryl group.
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