KR20190079168A - Membrane-electrode assembly prepared from cation exchange membnrane for producing hydrogen water and method for preparing membrane-electrode assembly - Google Patents

Membrane-electrode assembly prepared from cation exchange membnrane for producing hydrogen water and method for preparing membrane-electrode assembly Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a method for preparing a membrane-electrode assembly for efficient hydrogen water production and to the membrane-electrode assembly. A method for preparing a membrane-electrode assembly comprises the following steps of: impregnating a porous polymer film with a mixed solution of a monomer, a cross-linking agent, and an initiator to fill pores; performing cross-linking polymerization of the mixed solution filled in the pores of the porous polymer film; impregnating a cross-linked polymerized polymer film with a solution having a cation exchange group and introducing the cation exchange group into the polymer film to prepare a pore-filled cation exchange membrane; impregnating the pore-filled cation exchange membrane with a solution containing platinum ions to exchange ions; and impregnating the pore-filled cation exchange membrane exchanged with platinum ion with an alkaline aqueous solution to reduce the platinum ions to form an electrode layer. In addition, the membrane-electrode assembly for hydrogen water production includes a porous polymer film having the thickness less than or equal to 25 μm and an electrode layer by an electrode metal on the surface of the porous polymer film, is filled with a cation exchange resin in pores of the porous polymer film, and has the electrode metal.

Description

효율적인 수소수 생성을 위한 세공충진 양이온교환막 기반의 막-전극접합체 및 막-전극 접합체 제조방법{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY PREPARED FROM CATION EXCHANGE MEMBNRANE FOR PRODUCING HYDROGEN WATER AND METHOD FOR PREPARING MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a membrane-electrode assembly and a membrane-electrode assembly based on a pore-filled cation exchange membrane for efficient water generation. More particularly, the present invention relates to a membrane-electrode assembly and a membrane-

본 발명은 효율적인 수소수 생산을 위한 막-전극접합체의 제조 방법 및 상기 막-전극 접합체에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a membrane-electrode assembly for efficient water production and a membrane-electrode assembly.

이온교환막은 양이온과 음이온을 선택하여 한쪽 이온만을 통과시키는 합성수지막을 말하며, 양이온교환막과 음이온교환막이 있다. The ion exchange membrane is a synthetic resin membrane that allows only one ion to pass through by selecting a cation and an anion, and has a cation exchange membrane and an anion exchange membrane.

양이온교환막은 마이너스의 전하를 띄고 있어, 마이너스의 이온은 반발하여 통과시키지 않고 플러스 이온만을 통과시킨다. 또 반대로 음이온교환막은 플러스의 전하를 띄고 있어, 마이너스의 이온만을 통과시키는 성질을 갖고 있다. 대표적인 이온교환막으로는 설폰기(基)를 갖는 양이온교환막, 4차 암모늄기를 갖는 음이온교환막 등이 있다. The cation exchange membrane has a negative charge, so negative ions pass through only positive ions without repelling them. On the contrary, the anion exchange membrane has a positive charge and has a property of passing only negative ions. Typical ion exchange membranes include a cation exchange membrane having a sulfonic group (group) and an anion exchange membrane having a quaternary ammonium group.

이러한 이온교환막은 연료전지, 확산투석, 레독스 흐름 전지, 수처리, 해수의 담수화 등의 분야에서 널리 활용되고 있으며, 높은 선택성을 가져야 하기에 용매 및 비이온 용질의 낮은 투과성, 선택된 투과이온의 확산에 대한 낮은 저항, 높은 기계적 강도 및 내화학성을 필요로 한다. These ion exchange membranes are widely used in the fields of fuel cells, diffusion dialysis, redox flow cells, water treatment, and desalination of seawater. Since they have high selectivity, they have low permeability of solvent and non-ionic solute, Low mechanical strength, and chemical resistance.

이온교환막에 대한 기술로서, 대한민국 공개특허공보 제2012-0074365호에는 이온교환능력이 있는 중합체를 포함하는 용액을 제조하고, 상기 용액에 가교제를 첨가하여 제막한 후에 가교결합을 통해 이온교환막을 제조하고, 열처리하는 단계로 구성된 이온교환막 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 위 특허문헌에 개시된 기술은 이온교환수지의 기계적 물성 제약으로 인해 보강재(reinforcing material)를 함께 사용할 필요가 있다. As a technique for an ion exchange membrane, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2002-0074365 discloses a method for producing a solution containing a polymer having ion exchange ability, a crosslinking agent is added to the solution, and an ion exchange membrane is prepared through crosslinking , And heat treating the ion exchange membrane. However, the technique disclosed in the above patent document needs to use a reinforcing material together because of the mechanical property restriction of the ion exchange resin.

한편, 일반적으로 PVC 및 PE 소재의 부직포(non-woven fabric)에 모노머 페이스트를 캐스팅하고 열중합 또는 광중합을 통해 기저막을 만들고, 4차 암모늄화(amination) 또는 술폰화(sulfonation) 처리를 함으로서 음이온교환막 또는 양이온교환막이 제조된다. 그러나 이 경우, 일정 수준 이상의 기계적 물성을 얻기 위해 이온교환막의 두께가 150㎛ 이상으로 두꺼워지며, 연속식 제조공정이 불가능하여 제조단가가 상승한다. On the other hand, in general, a monomer paste is cast on a nonwoven fabric made of PVC and PE, and a base film is formed through thermal polymerization or photopolymerization, and quaternary amination or sulfonation treatment is carried out to form an anion exchange membrane Or a cation exchange membrane is produced. However, in this case, the thickness of the ion exchange membrane becomes thicker than 150 탆 in order to obtain a mechanical property of a certain level or higher, and the continuous manufacturing process becomes impossible and the manufacturing cost increases.

따라서 이온교환막의 두께를 얇게 하면서도, 이온 교환을 위한 충분한 기계적 물성을 나타낼 수 있는 이온교환막을 제조하는 방법에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 이와 관련하여 대한민국 공개특허공보 제2012-0059585호에서는 다공성 기재를 기저막으로 활용하여 얇은 두께의 이온교환막을 제조하는 방법에 관한 내용이 개시되어 있다.  Therefore, studies have been made on a method for producing an ion exchange membrane capable of exhibiting sufficient mechanical properties for ion exchange, while reducing the thickness of the ion exchange membrane. In relation to this, in Korean Patent Publication No. 2012-0059585, Discloses a method for producing an ion exchange membrane having a thin thickness by using the ion exchange membrane as a base membrane.

한편, 일본을 중심으로 1990년대 후반부터 수소수에 대한 연구가 활발히 이뤄졌으며, 1997년 미국 생물학지 'BBRC'지에서 관련 연구 결과가 다뤄지면서 본격적으로 상품화되기 시작하였다. 현재 일본에서는 수소수가 전체 식용수 시장의 10% 이상을 차지하는 것으로 알려져 있다.On the other hand, studies on water quality have been actively conducted since the late 1990s, mainly in Japan, and commercialization began in earnest as the results of related research were handled in 1997 by the American Biology BBRC. Currently, in Japan, hydrogen is said to account for more than 10% of the total drinking water market.

수소수는 활성산소를 제거해 면역력을 높여주고, 노화방지, 성인병 예방에 효능이 있는 것으로 알려져 있다. 일 예로 Okayama 대학의 연구에 따르면 수소수를 이용한 실험에서 쥐의 치주조직의 변화를 관찰하였을 때 수소수의 음용이 유의한 항산화 효과를 나타낸 결과를 확인하였다[T. Tomofuji et al., Scientific Report, 4, Article number: 5534 (2014)]. Hydrophobic water has been known to enhance the immune system by removing active oxygen, and to prevent aging and adult diseases. For example, a study by Okayama University found that drinking water showed a significant antioxidant effect when drinking water was used to examine changes in periodontal tissue in rats [T. Tomofuji et al., Scientific Report, 4, Article number: 5534 (2014)].

수소수의 제조 방식은 크게 수소가스 주입방식(hydrogen gas injection type), 스틱방식(stick type), 시약첨가방식(reagent addition type) 및 전기분해방식(electrolysis type)의 4가지로 나눌 수 있다.Hydrogen production can be classified into hydrogen gas injection type, stick type, reagent addition type and electrolysis type.

이 중 전기분해방식에 해당하는 고분자 전해질막 수전해법은 고분자 전해질 양면에 전극촉매를 접합시킨 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)를 이용하여 물을 전기분해하는 방법으로서, 높은 전류밀도에서도 고효율로 전기분해를 수행할 수 있고, 순수로부터 고순도의 수소를 제조할 수 있으며, 전해효율도 높은 장점을 가지고 있다. Electrolytic electrolytic membrane electrolysis is a method of electrolyzing water using a membrane-electrode assembly (MEA) in which an electrode catalyst is bonded to both sides of a polymer electrolyte. It is possible to carry out electrolysis with high efficiency, produce hydrogen of high purity from pure water, and have a high electrolytic efficiency.

MEA를 이용한 수소수 제조 방법에서 가장 핵심이 되는 부분은 MEA의 성능이라 할 수 있다. 따라서 일반적으로 화학적으로 안정성이 우수하며, 수소이온 전도도가 높은 것이 요구되는데, 이로 인해 통상적으로 Nafion을 사용하여 MEA를 제조하고 있다. The most important part of the method for producing hydrogen water using MEA is the performance of MEA. Therefore, it is generally required to have high chemical stability and high hydrogen ion conductivity, and thus, MEA is usually manufactured using Nafion.

그러나 Nafion은 매우 고가여서 MEA의 제조단가를 크게 높이는 문제가 있다. 따라서 효율적이며 경제적인 수소수 제조를 위해 화학적으로 안정성이 우수하며 수소이온 전도도가 높은 동시에 제조 단가가 저렴한 수소이온 교환막 및 이를 기반으로 한 고효율 MEA의 개발이 요구되고 있는 실정이다. However, since Nafion is very expensive, there is a problem of greatly increasing the manufacturing cost of MEA. Therefore, it is required to develop a hydrogen ion exchange membrane and a high efficiency MEA based on the hydrogen ion exchange membrane, which are chemically stable and have high hydrogen ion conductivity and low manufacturing cost for efficient and economical production of water.

본 발명은 효율적이며 경제적인 수소수 생산을 위한 막-전극접합체의 제조 방법 및 이를 이용한 전기화학적 수소수 생산 장치를 제공하고자 한다. The present invention provides a method for producing a membrane-electrode assembly for efficient and economical production of hydrofluoric acid and an electrochemical water-producing apparatus using the same.

본 발명은 막-전극 접합체 제조방법에 관한 것으로서, 다공성 고분자 필름을 단량체, 가교제 및 개시제가 혼합된 혼합 용액에 함침하여 세공을 충진하는 단계, 상기 다공성 고분자 필름의 세공 내에 충진된 혼합 용액을 가교중합반응시키는 단계, 상기 가교중합된 고분자 필름을 양이온교환기를 갖는 용액에 함침하여 고분자 필름에 양이온교환기를 도입하여 세공충진 양이온 교환막을 제조하는 단계, 상기 세공충진 양이온 교환막을 백금 이온 함유 용액에 함침하여 이온교환시키는 단계 및 상기 백금이온 교환된 세공충진 양이온 교환막을 알칼리 수용액에 함침하여 백금이온을 환원시켜 촉매층을 형성하는 단계를 포함한다. The present invention relates to a method for producing a membrane-electrode assembly, comprising the steps of: impregnating a porous polymer film with a mixed solution containing a monomer, a crosslinking agent and an initiator to fill the pores; A step of impregnating the crosslinked polymer film with a solution having a cation exchanger to prepare a pore-filled cation exchange membrane by introducing a cation exchanger into the polymer film; impregnating the pore-filled cation exchange membrane with the platinum ion- And a step of impregnating the platinum ion-exchanged pore-filled cation exchange membrane with an alkali aqueous solution to reduce platinum ions to form a catalyst layer.

상기 양이온 교환기는 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. The cation exchanger includes a sulfonic acid group (-SO 3 H), a carboxyl group (-COOH), a phosphonic group (-PO 3 H 2 ), a phosphonic group (-HPO 2 H), an acidic group (-AsO 3 H 2 ) And a selinolytic group (-SeO 3 H).

상기 단량체는 스티렌, N-페닐아크릴아미드(N-Phenylacrylamide), N-(트리페닐메틸)메타크릴아미드(N-(Triphenylmethyl)methacrylamide), 에틸렌글리콜 페닐에테르 아크릴레이트(Ethylene glycol phenyl ether acrylate), 2-히드록시-3-페녹시프로필 아크릴레이트(2-Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate), 2-술포에틸 메타크릴레이트(2-sulfoethyl methacrylate) 및 3-술포프로필 메타크릴레이트(3-sulfopropyl methacrylate)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. The monomer may be selected from the group consisting of styrene, N-phenylacrylamide, N- (triphenylmethyl) methacrylamide, ethylene glycol phenyl ether acrylate, 2 2-Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate, 2-sulfoethyl methacrylate, and 3-sulfopropyl methacrylate. Lt; / RTI >

상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 하이드록시피발릭산 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트, 트리플로필렌글리콜 디아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리시클로데칸 디메탄올 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 글리세린 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트 및 트리스(2-하이드록시에틸)이소시아누레이트 트리아크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.The crosslinking agent may be selected from the group consisting of divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol diacrylate, Triethylene glycol diacrylate, tricyclodecane dimethanol diacrylate, trimethylolpropane triacrylate, glycerin triacrylate, trimethylol propane triacrylate, trimethylol propane triacrylate, trimethylol propane triacrylate, trimethylol propane triacrylate, Tris (2-hydroxyethyl) isocyanurate triacrylate, and tris (2-hydroxyethyl) isocyanurate triacrylate.

상기 가교제는 분자량이 서로 상이한 2 이상을 사용하는 것이 바람직하다.It is preferable that two or more crosslinking agents having different molecular weights are used.

상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트의 혼합물이며, 가교제 100중량%에 대하여 디비닐벤젠 60 내지 90중량%, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 3 내지 15중량%, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트 3 내지 15중량% 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트 3 내지 15중량%의 범위로 포함할 수 있다. The crosslinking agent is a mixture of divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, and 1,6-hexanediol dimethacrylate, and the crosslinking agent is a mixture of divinylbenzene 60 to 90 By weight of ethylene glycol dimethacrylate, 3 to 15% by weight of ethylene glycol dimethacrylate, 3 to 15% by weight of 1,3-butanediol dimethacrylate and 3 to 15% by weight of 1,6-hexanediol dimethacrylate .

상기 가교중합반응은 광가교(photo-crosslinking) 또는 열가교(thermal crosslinking)에 의해 수행될 수 있다.The crosslinking polymerization may be carried out by photo-crosslinking or thermal crosslinking.

상기 개시제는 벤조페논, 벤질디메틸케탈, 1,2-디페닐 에탄디온, 하이드록실디메틸아세토폰 및 α-하이드록시사이클로헥실페닐메타논으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 광개시제를 사용할 수 있다. The initiator may use at least one photoinitiator selected from the group consisting of benzophenone, benzyldimethyl ketal, 1,2-diphenylethanedione, hydroxyldimethyl acetopone and? -Hydroxycyclohexylphenyl methanone.

상기 개시제는 벤조일 퍼옥사이드, 과산화벤조일, 아조비스이소부티로니트릴, 아조메탄 및 아조이소프로판으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 열개시제를 사용할 수 있다.The initiator may use at least one thermal initiator selected from the group consisting of benzoyl peroxide, benzoyl peroxide, azobisisobutyronitrile, azomethane and azoisopropane.

상기 가교제는 모노머와 가교제의 합계 100중량%에 대하여 10 내지 30중량%의 함량으로 포함하는 것이 바람직하다. The crosslinking agent is preferably contained in an amount of 10 to 30% by weight based on 100% by weight of the total amount of the monomer and the crosslinking agent.

상기 개시제는 모노머 100중량부에 대하여 1 내지 5중량부의 함량으로 포함하는 것이 바람직하다. The initiator is preferably contained in an amount of 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the monomer.

상기 전극층 형성용 금속이온으로 이온교환시키는 단계는, 상기 세공충진 양이온 교환막을 황산수용액에 1 내지 15시간 함침시킨 후 수세하는 단계, 메탄올 또는 에탄올과 물의 혼합 용매에 전극층 형성용 금속 이온 함유 전구체를 용해하여 백금 이온 함유 용액을 제조하는 단계 및 상기 세정된 세공충진 양이온 교환막을 전극층 형성용 금속 이온 함유 전구체 용액에 함침하는 단계를 포함하는 공정에 의해 수행될 수 있다.The step of ion-exchanging with the metal ions for forming an electrode layer includes the steps of: impregnating the pore-filled cation exchange membrane in an aqueous solution of sulfuric acid for 1 to 15 hours followed by washing with water; dissolving a precursor containing metal ions for forming an electrode layer in methanol or a mixed solvent of ethanol and water Containing solution to prepare a platinum ion-containing solution, and impregnating the washed pore-filled cation-exchange membrane with a metal ion-containing precursor solution for forming an electrode layer.

상기 황산 수용액은 0.5 내지 2M의 농도를 갖는 것일 수 있다.The aqueous sulfuric acid solution may have a concentration of 0.5 to 2M.

상기 메탄올 또는 에탄올과 물의 혼합 용매는 메탄올 또는 에탄올과 물의 부피비가 1:2 내지 1:5인 것이 바람직하다.The mixed solvent of methanol or ethanol and water preferably has a volume ratio of methanol or ethanol to water of 1: 2 to 1: 5.

상기 전극층 형성용 금속 이온 함유 전구체 용액은 전극층 형성용 금속 이온을 0.1 내지 0.7mM의 농도를 갖는 것이 바람직하다.The metal ion-containing precursor solution for forming an electrode layer preferably has a concentration of metal ions for forming an electrode layer of 0.1 to 0.7 mM.

전극층 형성용 금속이온으로 이온교환시키는 단계는 20분 내지 1시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.The step of ion-exchanging with the metal ions for forming the electrode layer is preferably performed for 20 minutes to 1 hour.

상기 환원은 상기 전극층 형성용 금속이온으로 이온교환된 세공충진 양이온 교환막을 pH 11 내지 14의 알칼리 수용액에 NaBH4 및 LiAlH4로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나가 용해된 환원용액에 함침하여 수행하는 것이 바람직하다.The reduction is performed by impregnating a pore-filled cation exchange membrane ion-exchanged with the metal ion for forming the electrode layer into an aqueous alkaline solution having a pH of 11 to 14 with at least one dissolved solution of a reducing solution selected from the group consisting of NaBH 4 and LiAlH 4 desirable.

상기 환원용액에 함침은 30분 내지 5시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.The impregnation of the reducing solution is preferably performed for 30 minutes to 5 hours.

상기 환원용액은 알칼리 수용액에 NaBH4가 0.6 내지 0.9M의 농도로 용해된 것을 사용할 수 있다.The reducing solution may be prepared by dissolving NaBH 4 in an aqueous alkaline solution at a concentration of 0.6 to 0.9M.

상기 전극층 형성용 금속이온은 백금, 류테늄 또는 이들의 혼합 금속의 이온일 수 있다.The metal ion for forming the electrode layer may be an ion of platinum, ruthenium, or a mixed metal thereof.

상기 알칼리 수용액은 25 내지 60℃의 온도를 갖는 것이 바람직하다.The alkali aqueous solution preferably has a temperature of 25 to 60 캜.

상기 다공성 고분자 필름은 25㎛ 이하(0㎛은 제외한다)의 두께를 갖는 것일 수 있다. The porous polymer film may have a thickness of 25 占 퐉 or less (excluding 0 占 퐉).

상기 다공성 고분자 필름은 LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), PE(Polyethylene)계 공중합체, PP(Polypropylene), EVA(Ethylene Vinyl Alcohol), EOR(Ethylene Octene Rubber)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 사용할 수 있다. The porous polymer film may be formed from a group consisting of linear low density polyethylene (LLDPE), low density polyethylene (LDPE), polyethylene (PE) copolymer, polypropylene, EVA (Ethylene Vinyl Alcohol) You can use what is selected.

상기 다공성 고분자 필름을 용매에 30분 내지 5시간 동안 세척한 후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. Washing the porous polymer film with a solvent for 30 minutes to 5 hours, and then drying the porous polymer film.

상기 용매는 아세톤, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), 아세토니트릴(acetonitrile), 메탄올(methanol) 및 에탄올(ethanol)로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.The solvent may be selected from the group consisting of acetone, dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), acetonitrile, methanol and ethanol.

상기 백금이온을 환원시키는 단계에서 얻어진 막-전극 접합체를 황산 수용액으로 30분 내지 5시간 동안 함침한 후 수세하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include a step of impregnating the membrane-electrode assembly obtained in the step of reducing the platinum ions with an aqueous sulfuric acid solution for 30 minutes to 5 hours, followed by washing with water.

본 발명은 막-전극 접합체를 제공하며, 상기 막-전극 접합체는 25㎛ 이하의 두께를 갖는 다공성 고분자 필름의 세공 내에 양이온교환수지가 충진되어 있고, 상기 양이온교환수지에 백금이 존재하며, 상기 다공성 고분자 필름의 표면에 백금에 의한 촉매층을 포함한다. The present invention provides a membrane-electrode assembly, wherein the membrane-electrode assembly has a cation exchange resin filled in pores of a porous polymer film having a thickness of 25 m or less, platinum exists in the cation exchange resin, And a catalyst layer formed of platinum on the surface of the polymer film.

상기 양이온교환수지는 단량체, 가교제 및 광개시제 또는 열개시제의 중합에 의해 생성된 것일 수 있다.The cation exchange resin may be one produced by polymerization of a monomer, a crosslinking agent and a photoinitiator or a thermal initiator.

상기 다공성 고분자 필름은 LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), PE(Polyethylene)계 공중합체, PP(Polypropylene), EVA(Ethylene Vinyl Alcohol), EOR(Ethylene Octene Rubber)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것일 수 있다.The porous polymer film may be formed from a group consisting of linear low density polyethylene (LLDPE), low density polyethylene (LDPE), polyethylene (PE) copolymer, polypropylene (PP), ethylene vinyl alcohol (EVA) It can be selected.

상기 단량체는 스티렌, N-페닐아미드(N-Phenylacrylamide), N-트리페닐메틸 메타크릴라이드(N-(Triphenylmethyl)methacrylamide), 에틸렌글리콜 페닐에테르 아크릴레이트(Ethylene glycol phenyl ether acrylate), 2-히드록시-3-페녹시페닐 아크릴레이트(2-Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate), 2-술포에틸 메타크릴레이트(2-sulfoethyl methacrylate) 및 3-술포프로필 메타크릴레이트(3-sulfopropyl methacrylate) 으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.The monomer may be selected from the group consisting of styrene, N-phenylacrylamide, N-triphenylmethyl methacrylamide, ethylene glycol phenyl ether acrylate, From a group consisting of 2-hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate, 2-sulfoethyl methacrylate and 3-sulfopropyl methacrylate. And may be at least one selected.

상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 하이드록시피발릭산 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트, 트리플로필렌글리콜 디아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리시클로데칸 디메탄올 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 글리세린 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트 및 트리스(2-하이드록시에틸)이소시아누레이트 트리아크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 분자량이 상이한 2 이상을 포함하는 것일 수 있다.The crosslinking agent may be selected from the group consisting of divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol diacrylate, Triethylene glycol diacrylate, tricyclodecane dimethanol diacrylate, trimethylolpropane triacrylate, glycerin triacrylate, trimethylol propane triacrylate, trimethylol propane triacrylate, trimethylol propane triacrylate, trimethylol propane triacrylate, (2-hydroxyethyl) isocyanurate triacrylate having a molecular weight differing from that of the polyisocyanate compound.

상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트를 포함하는 것일 수 있다.The crosslinking agent may include divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, and 1,6-hexanediol dimethacrylate.

상기 광개시제는 벤조페논, 벤질디메틸케탈, 1,2-디페닐 에탄디온, 하이드록실디메틸아세토폰 및 α-하이드록시사이클로헥실페닐메타논으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.The photoinitiator may be at least one selected from the group consisting of benzophenone, benzyldimethylketal, 1,2-diphenylethanedione, hydroxyldimethylacetopone, and? -Hydroxycyclohexylphenylmethanone.

상기 열개시제는 벤조일 퍼옥사이드, 과산화벤조일, 아조비스이소부티로니트릴, 아조메탄 및 아조이소프로판으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.The thermal initiator may be at least one selected from the group consisting of benzoyl peroxide, benzoyl peroxide, azobisisobutyronitrile, azomethane and azoisopropane.

본 발명의 막-전극접합체는 얇으면서 우수한 전기적 성능 및 강한 물리적 강도를 가지는 세공충진 양이온교환막을 기반으로 제조됨으로써, 종래의 Nafion 기반의 막-전극접합체와 비교하여 제조단가가 매우 저렴하며 동시에 동등 수준의 성능을 얻을 수 있다. The membrane-electrode assembly of the present invention is fabricated on the basis of a pore-filled cation exchange membrane which is thin and has excellent electrical performance and strong physical strength, so that the manufacturing cost is very low compared with the conventional Nafion-based membrane- Can be obtained.

본 발명의 막-전극 접합체는 25㎛ 이하의 두께를 갖는 다공성 고분자 필름을 기재로 사용하여 세공에 양이온교환수지를 충진함으로써 제조될 수 있어, 롤투롤 (roll-to-roll) 방식에 의한 연속 생산 가능하여 생산성 향상을 도모할 수 있다.The membrane-electrode assembly of the present invention can be produced by filling a pore with a cation exchange resin using a porous polymer film having a thickness of 25 탆 or less as a base material, thereby achieving continuous production by a roll-to- It is possible to improve the productivity.

또, 기재로 사용된 다공성 고분자 필름은 우수한 기계적 강도를 갖는 것이어서, 두께를 얇게 하여 전기적 저항을 현저히 낮출 수 있으면서, 충분한 기계적 물성을 확보할 수 있다. In addition, the porous polymer film used as the base material has excellent mechanical strength, so that the thickness can be made thinner, the electrical resistance can be remarkably lowered, and sufficient mechanical properties can be ensured.

나아가, 상이한 분자량을 갖는 2종 이상의 가교제를 혼합 사용함으로써 가교밀도를 높일 수 있어, 화학적 및 물리적 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.Furthermore, by using two or more crosslinking agents having different molecular weights, the crosslinking density can be increased and the chemical and physical stability can be greatly improved.

부가적으로, Nafion 용액을 표면에 분사 코팅함으로써 탄화수소계 양이온교환막의 내구성을 향상시킬 수 있다.In addition, the durability of the hydrocarbon-based cation exchange membrane can be improved by spray coating a Nafion solution on the surface.

도 1은 정전류 조건에서의 수소수 농도 변화를 측정하고, 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 정전류 조건에서의 수소수 생산시 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
Fig. 1 is a graph showing the results of measurement of changes in the concentration of water in a constant current condition. Fig.
FIG. 2 is a graph showing voltage changes during the production of hydrogen peroxide under constant current conditions. FIG.

본 발명은 세공충진 양이온교환막을 이용하여 막-전극 접합체를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 막-전극 접합체를 제공하고자 한다.The present invention provides a method for producing a membrane-electrode assembly using a pore-filled cation exchange membrane and a membrane-electrode assembly manufactured thereby.

본 발명에 의해 제공되는 막-전극 접합체는 세공충진 양이온교환막을 제조하고, 그 표면 및 세공 내에 촉매를 도입함으로써 제조할 수 있다. 이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.The membrane-electrode assembly provided by the present invention can be prepared by preparing a pore-filled cation exchange membrane and introducing a catalyst into the surface and pores thereof. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

먼저, 본 발명의 세공충진 양이온교환막의 제조방법에 대하여 설명한다.First, a method for producing the pore-filled cation exchange membrane of the present invention will be described.

본 발명의 세공충진 양이온교환막은 다공성 고분자 필름을 기재로 사용한다. 다공성 고분자 필름을 기재로 사용함으로써 롤투롤 방식에 의해 세공충진 양이온교환막을 제조할 수 있어, 생산성 향상을 도모할 수 있어 바람직하다. The pore-filled cation exchange membrane of the present invention uses a porous polymer film as a substrate. By using a porous polymer film as a substrate, it is possible to produce a pore-filled cation-exchange membrane by a roll-to-roll process, thereby improving productivity.

상기 다공성 고분자 필름은 특별히 한정하지 않으며, 이온교환막 제조에 사용되는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 사용될 수 있다.The porous polymer film is not particularly limited and may be suitably used in the present invention as long as it is used in the production of an ion exchange membrane.

상기 다공성 고분자 필름으로는 예를 들어, LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), PE(Polyethylene)계 공중합체, PP(Polypropylene), EVA(Ethylene Vinyl Alcohol), EOR(Ethylene Octene Rubber)를 들 수 있다.Examples of the porous polymer film include linear low density polyethylene (LLDPE), low density polyethylene (LDPE), polyethylene (PE) copolymer, polypropylene (PP), ethylene vinyl alcohol (EVA) ).

상기 다공성 고분자 필름은 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만 두께가 25㎛ 이하의 것을 사용할 수 있다. 이와 같이 박막의 필름을 사용하더라도, 기재로 사용되는 다공성 고분자 필름은 충분한 기계적 물성을 제공할 수 있어, 본 발명의 막-전극 접합체로서 유효하게 기능할 수 있다. 또한, 두께가 얇아, 막-전극 접합체 제조에 사용되는 소재의 사용량을 줄일 수 있어, 제조 원가 절감에도 바람직하다.The porous polymer film is not necessarily limited to this, but one having a thickness of 25 탆 or less can be used. Even if a thin film is used in this way, the porous polymer film used as the base material can provide sufficient mechanical properties and can function effectively as the membrane-electrode assembly of the present invention. In addition, since the thickness is thin, the amount of material used for manufacturing the membrane-electrode assembly can be reduced, which is preferable for reducing manufacturing cost.

상기 다공성 고분자 필름의 두께가 25㎛를 초과하는 경우에는 막의 전기적 저항이 증가하게 되는 문제가 발생할 수 있다.If the thickness of the porous polymer film is more than 25 mu m, the electrical resistance of the membrane may increase.

상기 다공성 고분자 필름의 두께는 25㎛ 이하의 박막이라면 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 5㎛ 이상, 예를 들어, 7㎛ 이상, 8㎛ 이상, 10㎛ 이상의 두께를 갖는 것을 사용할 수 있다.The thickness of the porous polymer film is not particularly limited as long as it is a thin film having a thickness of 25 탆 or less, but preferably 5 탆 or more, for example, 7 탆 or more, 8 탆 or more and 10 탆 or more.

상기 다공성 고분자 필름은 용매로 세척한 후에 사용할 수 있다. 상기 세척은 30분 내지 5시간 동안 수행할 수 있다. 상기 세척은 다공성 고분자 필름 표면의 불순물을 제거하기 위한 것으로서 단량체의 세공 침투에 영향을 미치는 불순물을 제거하는 것이 바람직하다. 이와 같은 세척에 사용될 수 있는 용매로는 특별히 한정하지 않으며, 극성용매를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 아세톤, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), 아세토니트릴(acetonitrile), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol) 등을 들 수 있다. 이 중, 휘발성 및 극성을 고려할 때 아세톤이 가장 적합하다.The porous polymer film may be used after being washed with a solvent. The washing may be carried out for 30 minutes to 5 hours. The cleaning is for removing impurities on the surface of the porous polymer film, and it is preferable to remove impurities that affect pore penetration of the monomer. Examples of the solvent that can be used for the washing include, but are not limited to, polar solvents such as acetone, dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), acetonitrile, methanol methanol, ethanol, and the like. Of these, acetone is most suitable when considering volatility and polarity.

상기 세척 시간은 30분 이상이면 특별히 한정하지 않으나, 공정 경제의 측면에서 5시간 이하로 수행하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 30분 내지 3시간일 수 있다. 상기 세척 후에 다공성 고분자 필름을 건조한다.The washing time is not particularly limited as long as it is 30 minutes or longer, but it is preferably carried out within 5 hours in terms of process economy. More preferably from 30 minutes to 3 hours. After the washing, the porous polymer film is dried.

본 발명은 상기 다공성 고분자 필름의 세공 내에 양이온교환수지가 충진된다. 상기 양이온교환수지의 충진을 위해, 상기 다공성 고분자 필름을 양이온교환수지의 중합을 위한 원료 용액에 담지하여 상기 원료용액을 세공 내로 충진하는 단계를 포함한다.In the present invention, the pores of the porous polymer film are filled with a cation exchange resin. Exchange resin, the porous polymer film is loaded on the raw material solution for polymerization of the cation exchange resin to fill the raw material solution into the pores.

상기 원료용액은 단량체, 가교제 및 개시제를 포함하는 혼합 용액으로서, 상기 혼합 용액에 상기 다공성 고분자 필름을 함침하여 세공 내료 원료용액을 충진하고, 가교중합 반응시킴으로써 세공 내에 양이온교환수지를 충진할 수 있다.The raw material solution may be a mixed solution containing a monomer, a crosslinking agent and an initiator. The mixed solution may be impregnated with the porous polymer film to fill the pore raw material solution, and the cation exchange resin may be filled in the pores by crosslinking polymerization.

상기 단량체는 중합에 의해 양이온교환수지를 형성하는 주재료로서, 스티렌, N-페닐아크릴아미드(N-Phenylacrylamide), N-(트리페닐메틸)메타크릴아미드(N-(Triphenylmethyl)methacrylamide), 에틸렌글리콜 페닐에테르 아크릴레이트(Ethylene glycol phenyl ether acrylate), 2-히드록시-3-페녹시프로필 아크릴레이트(2-Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate), 2-술포에틸 메타크릴레이트(2-sulfoethyl methacrylate) 및 3-술포프로필 메타크릴레이트(3-sulfopropyl methacrylate) 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2 이상 혼합하여 사용할 수 있다.The monomer is a main material which forms a cation-exchange resin by polymerization. The monomer is selected from the group consisting of styrene, N-phenylacrylamide, N- (triphenylmethyl) methacrylamide, 2-hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate, 2-sulfoethyl methacrylate and 3- (2-hydroxyethyl) methacrylate. And 3-sulfopropyl methacrylate. These may be used singly or in combination of two or more.

상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 하이드록시피발릭산 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트, 트리플로필렌글리콜 디아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리시클로데칸 디메탄올 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 글리세린 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트 및 트리스(2-하이드록시에틸)이소시아누레이트 트리아크릴레이트 등을 사용할 수 있다. The crosslinking agent may be selected from the group consisting of divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol diacrylate, Triethylene glycol diacrylate, tricyclodecane dimethanol diacrylate, trimethylolpropane triacrylate, glycerin triacrylate, trimethylol propane triacrylate, trimethylol propane triacrylate, trimethylol propane triacrylate, trimethylol propane triacrylate, Tris (2-hydroxyethyl) isocyanurate triacrylate, and the like can be used.

이때, 상기 가교제는 막-전극 접합체의 화학적 및 물리적 내구성을 향상시키기 위해 2 이상의 가교제를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 상기 2 이상의 가교제는 분자량이 서로 다른 가교제를 사용하는 것이 고분자 사슬 간의 거리 및 자유체적이 적절하게 조절되어 이온 전달 저항을 감소시키는 효과를 제공한다.At this time, it is preferable that the cross-linking agent is used by mixing two or more cross-linking agents to improve the chemical and physical durability of the membrane-electrode assembly. More preferably, the use of a cross-linking agent having a different molecular weight from the two or more cross-linking agents provides an effect that the distance between the polymer chains and the free volume are appropriately controlled to reduce the ion transport resistance.

예를 들어, 가교제로서, 디비닐벤젠(중량평균분자량 130.19), 에틸렌글리콜디메타크릴레이트(중량평균분자량 198.22), 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트(중량평균분자량 226.27), 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트(중량평균분자량 254.32)의 4종을 혼합 사용한 경우, 가교 구조를 나타내면 다음과 같다.Examples of the crosslinking agent include divinylbenzene (weight average molecular weight 130.19), ethylene glycol dimethacrylate (weight average molecular weight 198.22), 1,3-butanediol dimethacrylate (weight average molecular weight 226.27), 1,6- And hexanediol dimethacrylate (weight average molecular weight: 254.32) are mixed, the cross-linking structure is as follows.

Figure pat00001
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이와 같이, 분자량이 상이한 2 이상의 가교제를 혼합하여 사용함으로써 고분자의 가교 밀도가 좀 더 치밀하게 형성할 수 있다. 즉, 고분자 사슬 간 길이가 먼 곳과 가까운 곳을 동시에 효과적으로 가교시킴으로써 가교 밀도를 높이고, 또한 고분자 사슬간의 간격을 넓혀주는 효과가 있어 이온전도도를 향상시킬 수 있다. By using two or more crosslinking agents having different molecular weights as described above, the crosslinking density of the polymer can be formed more densely. That is, by effectively cross-linking a polymer chain with a long distance between the polymer chain and the polymer chain, the crosslink density can be increased and the interval between the polymer chain can be widened, thereby improving the ionic conductivity.

일 예로서, 상기한 바와 같은 4종의 가교제를 사용하는 경우에는 이에 한정하는 것은 아니지만, 가교제 전체 100중량%에 대하여 디비닐벤젠 60 내지 90중량%, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 3 내지 15중량%, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트 3 내지 15중량% 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트 3 내지 15중량%의 함량으로 혼합하여 사용할 수 있다. For example, when the four types of crosslinking agents as described above are used, it is not limited thereto, but it is preferable that 60 to 90% by weight of divinylbenzene, 3 to 15% by weight of ethylene glycol dimethacrylate, 3 to 15% by weight of 1,3-butanediol dimethacrylate, and 3 to 15% by weight of 1,6-hexanediol dimethacrylate.

상기 가교제는 단량체와 가교제의 합계 중량 100%에 대하여 10 내지 30중량%의 함량으로 포함할 수 있다. 10중량% 미만으로 포함하는 경우에는 물리적 및 화학적 내구성이 저하되는 문제가 있으며, 30중량%를 초과하는 경우에는 이온전도도의 감소 등의 문제가 있다. The crosslinking agent may be contained in an amount of 10 to 30% by weight based on 100% of the total weight of the monomer and the crosslinking agent. If it is contained in an amount less than 10% by weight, the physical and chemical durability tends to deteriorate. If it exceeds 30% by weight, the ion conductivity tends to decrease.

상기 단량체와 가교제의 가교중합반응은 광개시 또는 열개시에 의해 수행할 수 있다. 이를 위해 반응개시제를 포함하는데, 상기 반응개시제로는 광개시제 또는 열개시제를 사용할 수 있다.The crosslinking polymerization of the monomer and the crosslinking agent can be carried out by photoinitiation or thermal decomposition. For this purpose, a reaction initiator is included. As the reaction initiator, a photoinitiator or a thermal initiator may be used.

상기 광개시제로는 벤조페논, 벤질디메틸케탈, 1,2-디페닐 에탄디온, 하이드록실디메틸아세토폰 및 α-하이드록시사이클로헥실페닐메타논을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.Examples of the photoinitiator include benzophenone, benzyldimethyl ketal, 1,2-diphenylethanedione, hydroxyldimethyl acetopone, and? -Hydroxycyclohexylphenyl methanone, which may be used alone or as a mixture of two or more It can also be used.

한편, 상기 열개시제로는 벤조일 퍼옥사이드, 과산화벤조일, 아조비스이소부티로니트릴, 아조메탄 및 아조이소프로판을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.On the other hand, the above-mentioned initiator may include benzoyl peroxide, benzoyl peroxide, azobisisobutyronitrile, azomethane, and azoisopropane. These may be used alone or in admixture of two or more.

상기 반응개시제는 단량체 100중량부에 대하여 1 내지 5중량%의 범위로 사용할 수 있다. 1중량% 미만인 경우에는 중합 반응이 충분히 일어나지 않는 문제가 있으며, 5중량%를 초과하는 경우에는 개시효율 저하 및 미반응 개시제의 잔존 등의 문제가 있다. The reaction initiator may be used in an amount of 1 to 5% by weight based on 100 parts by weight of the monomer. When the amount is less than 1% by weight, polymerization reaction does not sufficiently take place. When the amount is more than 5% by weight, there is a problem such as lowering of initiation efficiency and remaining unreacted initiator.

상기한 바와 같이, 다공성 고분자 필름을 상기 혼합 용액에 함침하여 충진 한 후 가교 중합반응시킴으로써 세공충진 양이온 교환막을 제조할 수 있다. 구체적으로, 이에 한정하는 것은 아니지만, 상기 다공성 고분자 필름에 단량체를 충진한 후 두 장의 이형 필름으로 다공성 고분자 필름을 협지하여 롤링을 통해 밀착시키고, 잉여의 단량체를 제거한 후, 두 장의 유리판으로 다공성 고분자 필름을 협지한 후 광중합 또는 열중합할 수 있다. As described above, the porous polymer film may be impregnated with the mixed solution, filled therein, and subjected to cross-linking polymerization to prepare a pore-filled cation exchange membrane. Specifically, although not limited thereto, the porous polymer film is filled with a monomer, and the porous polymer film is sandwiched between two release films, and the polymer film is closely contacted by rolling. After the excess monomers are removed, And then light-cured or heat-cured.

상기 광중합 및 열중합의 조건을 특별히 한정하지 않으나, 광중합의 경우에는 상온에서 1kW급 UV 광원 기준 1 내지 10분 동안 수행할 수 있으며, 열중합은 60 내지 90℃의 온도범위에서 1 내지 5시간 동안 수행할 수 있다.The photopolymerization and the thermopolymerization are not particularly limited. However, in the case of photopolymerization, the photopolymerization can be performed at a room temperature for 1 to 10 minutes based on a UV light source of 1 kW. The thermal polymerization is carried out at a temperature range of 60 to 90 ° C for 1 to 5 hours can do.

상기 중합함에 있어서는 산소와의 접촉 및 단량체의 유실을 방지하기 위해 다공성 고분자 필름 양면에 위치하는 이형 필름 및 유리판의 가장자리를 캡톤 테이프 등으로 실링하여 중합하는 것이 바람직하다.In the polymerization, it is preferable to seal the edges of the release film and the glass plate, which are located on both surfaces of the porous polymer film, with capton tape or the like in order to prevent contact with oxygen and loss of the monomer.

이에 의해 세공 내에 고분자가 충진된 다공성 고분자 필름을 얻을 수 있으며, 상기 다공성 고분자 필름의 세공 내에 충진된 고분자에 양이온교환기를 도입하는 단계를 포함한다. Thereby obtaining a porous polymer film filled with the polymer in the pores, and introducing a cation exchanger into the polymer filled in the pores of the porous polymer film.

상기 양이온교환기는 수소수의 제조를 위해 도입되는 것으로서, 상기 양이온교환기로는 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H) 등일 수 있다. 이들 양이온 교환기는 어느 하나일 수 있음은 물론, 2종 이상일 수 있다. The cation exchanger is introduced for the production of hydrogen peroxide. The cation exchanger is not particularly limited, and examples thereof include a sulfonic acid group (-SO 3 H), a carboxyl group (-COOH), a phosphonic group (-PO 3 H 2), Phosphinicosuccinic nikgi (-HPO 2 H), oh sonic group (-AsO 3 H 2) and cells Reno nikgi (-SeO 3 H) or the like. These cation exchangers may be any one or two or more.

상기 양이온교환기를 갖는 화합물을 유기용매에 녹인 후 상기 세공 내에 폴리머가 충진된 다공성 고분자 필름을 함침함으로써 양이온교환기를 상기 폴리머 내에 도입할 수 있다. 상기 양이온교환기의 도입 반응은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 30 내지 60℃의 온도조건에서 3 내지 15시간 동안 함침함으로써 수행할 수 있다.The cation exchange group can be introduced into the polymer by dissolving the compound having the cation exchange group in an organic solvent and impregnating a porous polymer film filled with the polymer in the pores. The introduction reaction of the cation exchanger is not particularly limited, but can be carried out, for example, by impregnation at a temperature of 30 to 60 DEG C for 3 to 15 hours.

이에 의해 세공 내에 양이온교환 수지가 도입된 세공충진 양이온교환막을 얻을 수 있다. 상기 세공충진 양이온교환막에 대하여는 필요에 따라 나피온(Nafion) 용액을 표면에 분사할 수 있다. 이에 의해 탄화수소계 양이온교환막의 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.Whereby a pore-filled cation exchange membrane into which the cation exchange resin is introduced into the pores can be obtained. The Nafion solution may be sprayed onto the surface of the pore-filled cation exchange membrane, if necessary. As a result, the durability of the hydrocarbon-based cation exchange membrane can be further improved.

상기 세공충진 양이온교환막에 금속을 도입하여 표면에 전극층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 전극층은 슬러리코팅 또는 전해 도금 등에 의해서도 형성할 수 있으나, 본 발명에서는 무전해 도금, 특히, 비평형-함침/환원법을 적용하여 전극층을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 비평형-함침/환원법에 의해 전극층을 형성하는 경우에는 양이온교환막의 표면에는 물론, 다공성 고분자 필름의 세공 내에도 금속이 도입되어 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 수소수 생성 효율을 향상시킬 수 있어 바람직하다.And introducing a metal into the pore-filled cation exchange membrane to form an electrode layer on the surface. The electrode layer may be formed by slurry coating or electrolytic plating. In the present invention, however, it is preferable to form an electrode layer by electroless plating, especially non-planar-impregnation / reduction. When the electrode layer is formed by the non-equilibrium-impregnation / reduction method, metals are introduced into the pores of the porous polymer film as well as the surface of the cation exchange membrane, thereby improving the electrochemical characteristics. .

이를 위해서는 먼저, 세공충진 양이온교환막을 황산 수용액에 함침하여 증류수로 세척하여 건조하는 단계를 포함한다. 상기 황산 수용액에 침지하는 단계는 특별히 한정하지 않으나, 세공충진 양이온교환막은 0.5M 이상, 보다 바람직하게는 1M 이상, 그리고, 2M 이하, 보다 바람직하게는 1.5M 이하의 황산 수용액에 1시간 이상, 바람직하게는 6시간 이상, 그리고, 바람직하게는 15시간 이하, 12시간 이하, 보다 바람직하게는 10시간 이하 함침시킴으로써 수행할 수 있다.In order to accomplish this, a step of impregnating a pore-filled cation exchange membrane with an aqueous solution of sulfuric acid, washing with distilled water, and drying. The step of immersing in the sulfuric acid aqueous solution is not particularly limited, but it is preferable that the pore-filled cation exchange membrane is contained in an aqueous sulfuric acid solution of 0.5M or more, more preferably 1M or more, and 2M or less, By impregnation for 6 hours or more, preferably 15 hours or less, 12 hours or less, more preferably 10 hours or less.

그 후, 상기 전극층 형성용 금속 성분을 포함하는 전구체 용액에 상기 세공충진 양이온교환막을 함침함으로써 금속이온을 도입할 수 있다. 상기 전극층은 상기 금속 성분을 포함하는 전구체 용액에 상기 세공충진 양이온교환막을 함침함으로써 금속이온을 도입할 수 있다. 상기 금속이온은 양이온교환막의 표면 및 세공 내에 도입되며, 상기 금속 이온은 양이온교환막의 양이온교환기에 치환되어 도입된다.Thereafter, the metal ion may be introduced by impregnating the precursor solution containing the metal component for forming an electrode layer with the pore-filled cation exchange membrane. The metal ions may be introduced into the electrode layer by impregnating the precursor solution containing the metal component with the pore-filled cation exchange membrane. The metal ions are introduced into the surface and pores of the cation exchange membrane, and the metal ions are introduced into the cation exchange membrane of the cation exchange membrane.

전극층 형성용 금속 전구체는 메탄올과 물, 바람직하게는 메탄올 또는 에탄올과 물을 1:2 내지 1:5, 보다 바람직하게는 1:2 내지 1:3의 혼합 용매에 전극층 형성용 금속 전구체를 용해하는 단계를 포함한다. 상기 전극층 형성용 금속 전구체는 0.1 내지 0.7mM, 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.5mM, 더욱 더 바람직하게는 0.2 내지 0.5mM의 농도로 용해하는 것이 바람직하다.The metal precursor for forming an electrode layer is prepared by dissolving a metal precursor for forming an electrode layer in a mixed solvent of methanol and water, preferably methanol or ethanol, and water in a ratio of 1: 2 to 1: 5, more preferably 1: 2 to 1: . The metal precursor for electrode layer formation is preferably dissolved at a concentration of 0.1 to 0.7 mM, more preferably 0.1 to 0.5 mM, and still more preferably 0.2 to 0.5 mM.

상기 전극층 형성을 위한 금속으로는 이에 한정하지 않으며, 전극으로서 기능할 수 있는 것이라면 적합하게 사용될 수 있다. 예를 들면, 백금, 루테늄, 백금과 루테늄의 혼합금속 등을 들 수 있으며, 백금을 사용하는 것이 보다 바람직하다. The metal for forming the electrode layer is not limited to this, and may be suitably used as long as it can function as an electrode. For example, platinum, ruthenium, a mixed metal of platinum and ruthenium, and the like, and it is more preferable to use platinum.

상기 세공충진 양이온교환막을 전극층 형성용 금속 전구체 용액에 함침하는 것은 20분 내지 1시간, 보다 바람직하게는 30분 내지 1시간 동안 함침하는 것이 바람직하다. 이와 같은 함침에 의해 전극층 형성용 금속이 세공충진 이온교환막 내부로 확산 및 이온교환된다.It is preferable to impregnate the pore-filled cation exchange membrane with the metal precursor solution for forming the electrode layer for 20 minutes to 1 hour, more preferably 30 minutes to 1 hour. By such impregnation, the metal for forming the electrode layer is diffused and ion-exchanged into the pore-filled ion exchange membrane.

상기 세공충진 이온교환막을 함침하는 용액의 금속 농도 및 함침시간이 상기 범위 미만인 경우에는 물 분해가 충분히 일어나지 않아 수소수 생성 효율이 저하하며, 과도한 경우에는 저항이 증가하여 바람직하지 않다.When the metal concentration and the impregnation time of the solution impregnated with the pore-filled ion exchange membrane are less than the above range, water decomposition does not sufficiently take place and the efficiency of producing hydrogen water lowers, and in an excessive amount, the resistance increases, which is not preferable.

상기 양이온교환막에 도입된 금속이온을 환원함으로써 촉매층을 형성할 수 있다. 상기 환원은 금속이온이 도입된 양이온교환막을 환원제 용액에 함침함으로써 수행할 수 있다. 구체적으로, 양이온교환막의 표면에 치환된 금속 이온이 환원제와 먼저 접촉하여 화학적 환원에 의해 환원되고, 이어서, 양이온교환막의 세공 내로 침투하여 치환된 금속이온은 세공 내에 금속 결정 핵착점이 형성되면서 비전해적 환원에 의해 환원된다.The catalyst layer can be formed by reducing metal ions introduced into the cation exchange membrane. The reduction can be performed by impregnating the cation exchange membrane into which the metal ion is introduced with the reducing agent solution. Specifically, the metal ions substituted on the surface of the cation-exchange membrane first come into contact with the reducing agent and are reduced by the chemical reduction, and then the metal ions permeate into the pores of the cation-exchange membrane to form metal crystal nucleation sites in the pores, Is reduced by reduction.

상기 환원을 위하여는 상온(25℃) 내지 60℃, 보다 바람직하게는 30 내지 50℃의 온도범위를 갖는 pH 11 내지 14, 보다 바람직하게는 pH 12 내지 14의 알칼리 수용액에 NaBH4 및 LiAlH4 등을 용해하여 환원용액을 제조하고, 상기 환원용액에 상기 금속이온이 도입된 세공충진 이온교환막을 함침함으로써 수행할 수 있다.For the reduction, an alkali aqueous solution of pH 11-14, more preferably pH 12-14, having a temperature range of room temperature (25 ° C) to 60 ° C, more preferably 30 ° C to 50 ° C, is added to NaBH 4 And LiAlH 4 to prepare a reducing solution, and impregnating the reducing solution with a pore-filled ion exchange membrane into which the metal ion is introduced.

상기 환원용액에 함침하는 시간은 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 30분 내지 10시간, 30분 내지 7시간, 30분 내지 5시간, 45분 내지 3시간 동안 수행할 수 있다. 30분 미만으로 함침하는 경우에는 도입된 금속이온의 환원이 충분하지 않으며, 10시간을 초과하는 경우에는 추가적인 환원 효과를 얻을 수 없다.The time for impregnation with the reducing solution is not limited thereto, but can be, for example, 30 minutes to 10 hours, 30 minutes to 7 hours, 30 minutes to 5 hours, 45 minutes to 3 hours. When the impregnation is carried out for less than 30 minutes, the reduction of the introduced metal ions is not sufficient, and if it exceeds 10 hours, no further reduction effect can be obtained.

이에 의해 금속에 의한 전극층이 형성된 막-전극 접합체를 얻을 수 있으며, 이후, 추가적으로 막-전극 접합체를 황산수용액에 30분 이상, 바람직하게는 1시간 이상, 그리고, 5시간 이하, 보다 바람직하게는 3시간 이하 동안 함침한 후 증류수로 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다.Thereafter, the membrane-electrode assembly is further subjected to an aqueous sulfuric acid solution for 30 minutes or more, preferably 1 hour or more, and 5 hours or less, more preferably 3 For a period of time or less, followed by washing with distilled water.

예를 들어, 상기 전극층 형성을 위한 금속이 Pt이고, 환원제가 NaBH4인 경우, Pt 양이온이 도입된 양이온교환막을 환원제 용액에 함침하면 양이온교환막의 표면에 치환된 Pt 이온은 다음 반응식과 같은 화학적 환원반응에 의해 환원된다.For example, when the metal for forming the electrode layer is Pt and the reducing agent is NaBH 4 , when the cation exchange membrane into which the Pt cation is introduced is impregnated with the reducing agent solution, the Pt ions substituted on the surface of the cation exchange membrane are chemically reduced Is reduced by the reaction.

BH4 - + 8OH- + 4Pt(II) → H2BO3 - + 5H2O + 4Pt(0) BH 4 - + 8OH - + 4Pt (II) -> H 2 BO 3 - + 5H 2 O + 4Pt (0)

이어서, 양이온교환막의 세공 내에 치환된 Pt 이온은 다음과 같은 반응에 의해 환원된다.Subsequently, the Pt ions substituted in the pores of the cation exchange membrane are reduced by the following reaction.

BH4 - + 8OH- → H2BO3 - + 5H2O + 8e- BH 4 - + 8OH - - > H 2 BO 3 - + 5H 2 O + 8e -

8e- + 4Pt(II) → 4Pt (0) 8e - + 4Pt (II) - > 4Pt (0)

이와 같은 비평형-함침/환원법에 의해 양이온교환막의 표면에 전극을 도입할 수 있으며, 이에 의해 막-전극 접합체를 제조할 수 있다. 본 발명에 의해 얻어지는 막전극 접합체는 수소수 생산에 적합하게 사용할 수 있다.By such a non-planar-impregnation / reduction method, it is possible to introduce an electrode into the surface of the cation exchange membrane, thereby manufacturing a membrane-electrode assembly. The membrane electrode assembly obtained by the present invention can be suitably used for producing hydrogen water.

본 발명에 의해 제공되는 막-전극 접합체는 얇으면서도 강한 물리적 강도를 가지고 있으며, 두께가 얇아 우수한 전기적 성능을 제공할 수 있다. 또한, 종래의 나피온 기반의 막-전극 접합체와 비교하여 제조 단가를 현저히 낮출 수 있으면서도 동등 수준의 성능을 제공할 수 있다.The membrane-electrode assemblies provided by the present invention are thin, have a strong physical strength, and are thin in thickness to provide excellent electrical performance. In addition, compared to conventional Nafion-based membrane-electrode assemblies, it is possible to significantly reduce manufacturing costs and provide equivalent performance.

실시예Example

이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 이하에서 제공되는 실시에는 본 발명을 실시하는 하나의 구체적인 예시로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The presently preferred embodiments of the present invention are not limited to the following specific embodiments.

실시예 1 내지 5Examples 1 to 5

1. 세공충진 양이온 교환막의 제조 1. Preparation of Cation Exchange Membrane

다공성 고분자 필름으로서, 폴리에틸렌 다공성 필름(두께: 25㎛, W-Scope Korea Co. Ltd.)을 아세톤 용매에 3 시간 동안 세척하고 오븐에서 건조하였다.As a porous polymer film, a polyethylene porous film (thickness: 25 mu m, W-Scope Korea Co. Ltd.) was washed in an acetone solvent for 3 hours and dried in an oven.

중합을 위한 단량체로 스티렌(styrene, Sty) 80 중량부 및 가교제 20중량부를 혼합하여 사용하였다. 상기 가교제로는 분자량이 상이한 디비닐벤젠(DVB), 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA), 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트(BDDMA) 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트(HDDMA)를 표 1에 나타낸 바와 같이 중량비를 달리하여 사용하였다.80 parts by weight of styrene (Sty) as a monomer for polymerization and 20 parts by weight of a crosslinking agent were mixed and used. Examples of the crosslinking agent include divinylbenzene (DVB), ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA), 1,3-butanediol dimethacrylate (BDDMA) and 1,6-hexanediol dimethacrylate (HDDMA) Were used in different weight ratios as shown in Table 1.

Figure pat00002
Figure pat00002

중합개시제로는 벤조일 퍼옥사이드(benzoyl peroxide, BPO) 열중합개시제를 상기 단량체 중량에 대하여 2중량부로 사용하였다.As the polymerization initiator, benzoyl peroxide (BPO) thermal polymerization initiator was used in an amount of 2 parts by weight based on the monomer weight.

상기 단량체, 가교제 및 광개시제를 혼합하여 단량체 용액을 제조하였다. The monomer, crosslinking agent and photoinitiator were mixed to prepare a monomer solution.

상기 세척된 다공성 필름을 상기 단량체 용액에 함침시켜 다공성 필름의 세공 내에 단량체를 충진하였다. The washed porous film was impregnated with the monomer solution to fill the pores of the porous film with the monomer.

상기 세공 내에 단량체가 충진된 다공성 필름을 두 장의 이형필름으로 협지하고, 롤링을 통해 밀착시킨 후 잉여의 모노머를 제거하였다.The porous film filled with the monomers in the pores was sandwiched between two release films, adhered to each other through rolling, and excess monomers were removed.

이후 다시 세공 내에 단량체가 충진된 상기 다공성 필름을 두 장의 유리판 사이에 삽입한 후 산소와의 접촉 및 모노머의 유실을 방지하고자 캡톤 테이프로 실링하고, 80℃에서 3시간 동안 열중합을 수행하였다. Then, the porous film filled with the monomers in the pores was inserted between two glass plates, sealed with capton tape to prevent contact with oxygen and loss of monomer, and thermal polymerization was carried out at 80 ° C for 3 hours.

상기 열중합 후에, 클로로술폰산(chlorofulfonic acid) 20중량부를 디클로로벤젠(dichlorobenzene)에 녹인 35℃의 용액에 상기 다공성 필름을 함침시켜 술폰화 반응을 12시간 동안 수행하였다. After the thermal polymerization, the porous film was impregnated with a solution of chlorofulfonic acid (20 parts by weight) dissolved in dichlorobenzene at 35 DEG C, and the sulfonation reaction was carried out for 12 hours.

이어서 최종적으로 디클로로벤젠과 증류수를 이용하여 순차적으로 세척하여 세공충진 양이온교환막(이온교환막 1 내지 5)을 제조한 후, 0.5M NaCl 용액에 함침하여 보관하였다. Finally, the microporous membrane was sequentially washed with dichlorobenzene and distilled water to prepare pore-filled cation exchange membranes (ion exchange membranes 1 to 5), which were then impregnated with 0.5 M NaCl solution and stored.

상기 제조된 양이온 교환막 1 내지 5를 1M 황산 수용액에 6시간 함침시킨 후에 증류수로 세척하고 건조하였다. The prepared cation exchange membranes 1 to 5 were impregnated in a 1M sulfuric acid aqueous solution for 6 hours, washed with distilled water and dried.

그 후 메탄올과 물을 1:3의 부피비로 혼합한 용매에 Pt(II)(NH3)4Cl2(테트라-아민 플래티늄 클로라이드 하이드레이트, tetra-amine platinum chloride hydrate, 98%)를 0.3mM의 농도로 용해하여 용액을 만든 후, 그 용액 내에 상기 세정한 양이온 교환막을 40분 동안 함침시켜 백금 이온이 양이온 교환막의 내부로 확산 및 이온교환되도록 하였다.Thereafter, Pt (II) (NH 3 ) 4 Cl 2 (tetra-amine platinum chloride hydrate, 98%) was added to a mixed solvent of methanol and water at a volume ratio of 1: 3 at a concentration of 0.3 mM To prepare a solution. Then, the cleaned cation exchange membrane was impregnated in the solution for 40 minutes so that platinum ions were diffused and ion-exchanged into the cation exchange membrane.

이어 50℃로 예열된 pH 13의 알칼리 수용액에 NaBH4를 0.8M 농도로 용해하여 환원 용액을 제조하였다.NaBH 4 was dissolved at a concentration of 0.8M in an aqueous alkali solution of pH 13 preheated to 50 ° C to prepare a reducing solution.

상기 환원 용액 내에 백금 이온으로 치환된 상기 양이온 교환막을 함침시킨 후 2시간 동안 환원 반응에 의해 백금으로 환원하여 전극층을 형성함으로써 막-전극 접합체를 제조하였다. The cation exchange membrane substituted with platinum ion in the reducing solution was impregnated and then reduced to platinum by a reduction reaction for 2 hours to form an electrode layer, thereby preparing a membrane-electrode assembly.

상기 제조된 막-전극 접합체를 0.5M의 황산 수용액에 2시간 동안 함침시킨 후 증류수로 세척하였다(막-전극 접합체 1 내지 5). The membrane-electrode assembly thus prepared was impregnated in a 0.5M sulfuric acid aqueous solution for 2 hours and then washed with distilled water (membrane-electrode assemblies 1 to 5).

실시예 6Example 6

실시예 5의 세공충진 양이온교환막을 80℃로 가열된 핫플레이트에 밀착시킨 후, 스프레이 건을 이용하여 5중량%의 Nafion(in IPA, D521, DuPont) 용액을 1mg/㎠의 로딩량으로 분사하여 세공충진 양이온교환막 표면에 나피온을 코팅하여, 세공충진 양이온교환막(이온교환막 6)을 제조하였다.The pore filling cation exchange membrane of Example 5 was brought into close contact with a hot plate heated to 80 DEG C, and then a 5 wt% solution of Nafion (in IPA, D521, DuPont) was sprayed using a spray gun at a loading amount of 1 mg / Pore filling The Nafion was coated on the surface of the cation exchange membrane to prepare a pore-filled cation exchange membrane (ion exchange membrane 6).

상기 나피온 코팅된 세공충진 양이온교환막을 80℃의 건조 오븐에서 1시간 동안 건조하였다. The Nafion coated pore-filled cation exchange membrane was dried in a drying oven at 80 캜 for 1 hour.

이후, 한 면이 건조된 후 반대 면에 대하여도 동일한 조건으로 나피온 코팅을 수행하였다. Thereafter, one side was dried and the other side was subjected to Nafion coating under the same conditions.

이어서, 상기 양이온 교환막에 대하여 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 막-전극 집합체를 제조하였다(막-전극 접합체 6).Subsequently, membrane-electrode assemblies were prepared for the cation exchange membrane in the same manner as in Example 1 (membrane-electrode assembly 6).

비교예 1Comparative Example 1

상용 양이온교환 막인 DuPont사의 Nafion 117에 대하여 실시예 1과 동일한 방법으로 백금에 의한 전극층을 형성하여 막-전극 집합체를 제조하였다(막-전극 접합체 7).A membrane-electrode assembly (membrane-electrode assembly 7) was prepared by forming an electrode layer of platinum on Nafion 117 of DuPont, a commercial cation-exchange membrane, in the same manner as in Example 1.

실험예Experimental Example

1. 평가방법1. Evaluation Method

(1) 멤브레인 특성 평가 (1) Evaluation of membrane characteristics

양이온교환 막의 이온교환용량(ion-exchange capacity, IEC)은 전통적인 산-염기 적정을 통해 측정하였으며, 다음 식 (1)에 의해 계산하였다. The ion-exchange capacity ( IEC ) of the cation exchange membrane was measured by a conventional acid-base titration and was calculated by the following equation (1).

Figure pat00003
(1)
Figure pat00003
(One)

위 식에서 W dry memb 는 건조된 막의 질량이고, C는 적정용액의 농도이고, V는 적정을 위해 사용된 용액의 부피이다. In the above equation, W dry memb is the mass of the dried membrane, C is the concentration of the titrant solution, and V is the volume of the solution used for titration.

함수율(water uptake, WU)은 막의 젖은 무게(W wet )와 건조 무게(W dry )를 측정하고, 식 (2)와 같이 계산하였다. The water uptake ( WU ) was measured by measuring the wet weight ( W wet ) and the dry weight ( W dry ) of the membrane as shown in equation (2).

Figure pat00004
(2)
Figure pat00004
(2)

막 전기저항(membrane electrical resistance, MER) 및 이온전도도(ion conductivity, σ)는 교류 임피던스 측정법을 통하여 다음과 같이 측정하였다. Membrane electrical resistance ( MER ) and ion conductivity (σ) were measured by AC impedance measurement as follows.

멤브레인을 0.5M NaCl 또는 0.5M HCl 전해질 용액에 충분히 함침시킨 후, 2-점 프로브(2-point probe) 클립 셀(clip cell)과 임피던스 분석기(impedance analyzer)가 포함된 가변전위기(potentiostat)/정전류기(galvanostat)를 연결하여 전기저항을 측정하고, 다음 식 (3) 및 (4)로부터 각각 MER 및 이온전도도를 산출하였다. The membrane was sufficiently impregnated with a 0.5 M NaCl or 0.5 M HCl electrolyte solution, and then a 2-point probe clip cell and a potentiostat / impedance analyzer, including an impedance analyzer, The electrical resistance was measured by connecting a galvanostat, and MER and ion conductivity were calculated from the following equations (3) and (4), respectively.

Figure pat00005
(3)
Figure pat00005
(3)

Figure pat00006
(4)
Figure pat00006
(4)

위 식 (3)에서 R1은 전해질과 막의 저항의 합을 나타내고, R2는 전해질 용액의 저항을 나타내며, Area는 막과 전극의 유효면적을 나타내고, 그리고, L은 막의 두께를 나타낸다. In the above equation (3), R 1 represents the sum of the resistance of the electrolyte and the membrane, R 2 represents the resistance of the electrolyte solution, Area represents the effective area of the membrane and electrode, and L represents the thickness of the membrane.

또한, 이온수송수(transport number, E m )는 2-컴파트먼트 디퓨젼 셀(2-compartment diffusion cell)을 이용한 emf 방법으로 측정하고, 다음 식 (5) 및 (6)에 의해 계산하였다. In addition, the ion number ( E m ) of ionized water is expressed by emf (2) using a 2-compartment diffusion cell And calculated by the following equations (5) and (6).

Figure pat00007
(5)
Figure pat00007
(5)

Figure pat00008
(6)
Figure pat00008
(6)

위 식에서, E m 은 측정된 셀 전위를 나타내며, R은 기체상수, T는 절대온도, F는 Faraday 상수이고. 또한, C L C H 는 NaCl 용액의 농도로서, 각각 1mM과 5mM로 테스트하였다. 상기 셀 전위(E m )는 한 쌍의 Ag/AgCl 전극을 디지털 전압계에 연결하여 측정하였다. Where E m is the measured cell potential, R is the gas constant, T is the absolute temperature, and F is the Faraday constant. In addition, C L and C H were tested as 1 mM and 5 mM, respectively, as concentrations of NaCl solution. The cell potential ( E m ) was measured by connecting a pair of Ag / AgCl electrodes to a digital voltmeter.

제조된 양이온교환막의 인장강도는 universal testing machine (5567 model, Instron)을 이용하여 건조(dry) 및 젖은(wet) 조건에서 ASTM method D-882-79에 따라 측정하였다. The tensile strength of the prepared cation exchange membrane was measured according to ASTM method D-882-79 in a dry and wet condition using a universal testing machine (5567 model, Instron).

이온교환막의 화학적 내구성은 다음과 같은 펜톤 산화 실험을 통해 평가하였다.The chemical durability of ion exchange membranes was evaluated by the following Fenton oxidation experiments.

3중량% H2O2 및 2ppm FeSO4를 포함하는 수용액인 펜톤 시약을 제조한 후, 80℃로 온도를 유지하였다. 양이온교환막의 초기 무게를 측정한 후 상기 펜톤 시약에 양이온교환막을 함침시켰다. 시간에 따른 양이온교환막의 무게를 측정하고, 펜톤 산화 반응 전후의 무게 감소율을 구하였다. 3% by weight H 2 O 2 and 2 ppm FeSO 4 was prepared, and the temperature was maintained at 80 ° C. After the initial weight of the cation exchange membrane was measured, the Fenton reagent was impregnated with a cation exchange membrane. The weight of the cation exchange membrane was measured with time, and the weight reduction rate before and after the Fenton oxidation reaction was determined.

(2) 수전해 특성 평가(수소수 생성) (2) Evaluation of water electrolysis characteristics (Hydrogen production)

수전해 특성 평가는 상온 및 정전류 조건 하에서 양극에서 생성되는 수소의 농도를 셀에 부착된 용존 수소 측정 장치를 이용하여 측정하였다. 음극과 양극 모두 티타늄 전극을 사용하였고, 전류 밀도는 0.02A/㎠로 고정하였다. 표 2에 수전해 특성 평가 조건을 나타내었다. In the evaluation of the electrolytic solution characteristics, the concentration of hydrogen produced at the anode under normal temperature and constant current conditions was measured using a dissolved hydrogen measuring device attached to the cell. Titanium electrodes were used for both the cathode and the anode, and the current density was fixed at 0.02 A / cm 2. Table 2 shows the evaluation conditions of the electrolytic solution characteristics.

Figure pat00009
Figure pat00009

2. 멤브레인 특성 평가 2. Evaluation of membrane characteristics

실시예 1 내지 6에서 제조된 막-전극 접합체 1 내지 6 및 비교예 1에서 제조된 막-전극 접합체 7의 전기화학적 특성을 상기한 바와 같은 방법으로 측정하고, 그 결과를 표 3에 나타내었다. The electrochemical characteristics of the membrane-electrode assemblies 1 to 6 prepared in Examples 1 to 6 and the membrane-electrode assembly 7 prepared in Comparative Example 1 were measured as described above, and the results are shown in Table 3.

Figure pat00010
Figure pat00010

상기 표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에 의해 얻어진 막-전극 접합체 1은 비교예 1의 나피온(Nafion)을 사용한 막-전극 접합체 7에 비하여 이온전도도가 열세인 결과를 나타내었다. 그러나, 실시예 1 내지 6의 막-전극 접합체 1 내지 6은 두께가 얇고 이온교환용량이 커서 매우 낮은 전기적 저항을 나타냄을 알 수 있었다.As can be seen from the above Table 3, the membrane-electrode assembly 1 obtained in Example 1 has a lower ion conductivity than the membrane-electrode assembly 7 using Nafion in Comparative Example 1. [ However, it was found that the membrane-electrode assemblies 1 to 6 of Examples 1 to 6 had a small thickness and a large ion exchange capacity, indicating very low electrical resistance.

또한, 실시예 1 내지 6의 막-전극 접합체 1 내지 6은 높은 이온교환용량에도 불구하고 함수율은 상용막 대비 높지 않았는데, 이는 지지체인 폴리올레핀 다공성 고분자 필름이 물리적으로 세공에 충진된 이오노머(ionomer)의 과도한 팽윤을 방지해주고 있으며, 또한 가교도가 높기 때문으로 생각된다. In addition, the membrane-electrode assemblies 1 to 6 of Examples 1 to 6 were not high in water content despite the high ion-exchange capacity, because the polyolefin porous polymer film as a support was an ionomer packed physically in the pores It is thought that it prevents excessive swelling and is also high in the degree of crosslinking.

한편, 단일 가교제(DVB)를 사용한 경우인 실시예 1의 막-전극 접합체 1에 비하여 분자량이 상대적으로 큰 가교제를 혼합하여 사용한 경우 실시예 2 내지 6의 막-전극 접합체 2 내지 6에 있어서 막의 전기적 저항이 감소하고, 동시에 막의 이온수송수(transport number, 이온성택투과성)이 유지되는 결과를 나타내었다.On the other hand, in the membrane-electrode assemblies 2 to 6 of Examples 2 to 6, when a crosslinking agent having a relatively large molecular weight was used in combination with the membrane-electrode assembly 1 of Example 1 in which a single crosslinking agent (DVB) was used, The resistance was decreased, and at the same time, the ion number (transport number) of the membrane was maintained.

한편, 가교제의 함량을 증가시킬수록 소폭이지만 함수율의 증가를 확인할 수 있는데, 이는 분자량이 큰 가교제의 함량이 증가할수록 막의 자유체적(free volume)이 증가하였기 때문으로 해석할 수 있으며, 자유체적이 증가하여 막의 전기적 저항이 감소하는 경향을 나타내고, 동시에 가교구조의 최적화로 인해 이온교환막의 선택투과성도 유지됨을 확인할 수 있었다.On the other hand, as the content of the cross-linking agent is increased, it can be seen that the increase of the water content is small, because the free volume of the film is increased as the content of the cross-linking agent having a larger molecular weight is increased. The electrical resistance of the membrane tends to decrease, and at the same time, the selective permeability of the ion exchange membrane is maintained due to the optimization of the crosslinking structure.

한편, Nafion 분사코팅을 한 실시예 6의 막-전극 접합체 6의 경우, Nafion 코팅 층의 도입으로 인해 두께가 증가하였으며, 이로 인해 실시예 5의 막-전극 접합체 5와 비교하여 NaCl 용액에서의 전기적 저항이 다소 증가하는 경향을 나타내었으나 두께의 증가에도 불구하고 HCl 용액에서의 전기적 저항은 실시예 5의 막-전극 접합체 5와 동일 수준을 나타내었다. 이는 수소이온에 대한 전도도가 높은 나피온의 특성이 표면 코팅을 통해 발현된 것으로 해석할 수 있다. On the other hand, in the case of the membrane-electrode assembly 6 of Example 6 in which the Nafion spray coating was applied, the thickness was increased due to the introduction of the Nafion coating layer. As a result, compared with the membrane-electrode assembly 5 of Example 5, The electrical resistance in the HCl solution was the same level as that of the membrane-electrode assembly 5 of Example 5, although the resistance tended to increase somewhat. It can be interpreted that the characteristic of Nafion with high conductivity to hydrogen ion is expressed through surface coating.

실시예 1 내지 6에서 제조된 막-전극 접합체 1 내지 6 및 비교예 1에서 제조된 막-전극 접합체 7의 기계적 강도 특성을 측정하고, 그 결과를 표 4에 나타내었다. The mechanical strength characteristics of the membrane-electrode assemblies 1 to 6 prepared in Examples 1 to 6 and the membrane-electrode assembly 7 prepared in Comparative Example 1 were measured, and the results are shown in Table 4.

Figure pat00011
Figure pat00011

상기 표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 5의 막-전극 접합체 1 내지 5는 얇은 막 두께에도 불구하고 지지체의 강한 물리적 특성과 높은 가교도로 인해 비교예 1의 막-전극 접합체 7과 비교하여 4배 이상의 우수한 인장강도를 나타내었다. As can be seen from the above Table 4, the membrane-electrode assemblies 1 to 5 of Examples 1 to 5 exhibited the membrane-electrode assembly 7 of Comparative Example 1 due to the strong physical properties and high degree of crosslinking of the support, And showed an excellent tensile strength of 4 times or more.

또한 DVB 단독 가교제를 사용한 실시예 1의 막-전극 접합체 1과 비교할 때 혼합 가교제를 사용한 실시예 2 내지 5의 막-전극 접합체 2 내지 5의 경우가 보다 높은 인장 강도 값을 나타냄을 알 수 있다. 이는 혼합 가교제를 사용함으로써 가교도가 향상되었음을 의미하는 것이다. 그러나 가교제의 함량이 증가할수록 인장 강도가 소폭으로 감소하는 경향을 나타냄을 알 수 있다. It can also be seen that the film-electrode assemblies 2 to 5 of Examples 2 to 5 using mixed crosslinking agents exhibited higher tensile strength values as compared with the membrane-electrode assembly 1 of Example 1 using DVB single crosslinking agent. This means that the crosslinking degree is improved by using a mixed crosslinking agent. However, it can be seen that the tensile strength tends to decrease slightly as the content of the crosslinking agent increases.

실시예 5 및 6에서 제조된 막-전극 접합체 5 및 6과 비교예 1에서 제조된 막-전극 접합체 7에 대하여 상기한 바와 같은 펜톤 산화 실험을 통해 화학적 안정성을 평가하고, 그 결과를 표 5에 나타내었다. The membrane-electrode assemblies 5 and 6 prepared in Examples 5 and 6 and the membrane-electrode assembly 7 prepared in Comparative Example 1 were evaluated for their chemical stability through the Fenton oxidation experiment as described above. The results are shown in Table 5 Respectively.

Figure pat00012
Figure pat00012

상기 표 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 5의 막-전극 접합체 5는 탄화수소계의 기재로서, 비교예 1에 의해 제조된 막-전극 접합체 7에 비하여 2배 이상의 무게 감소율을 나타내었다. 그러나, 이러한 무게 감소율은 상기 표 5에 나타낸 바와 같이 상용되는 Astom사의 CMX 제품이 10% 이상의 중량감소율을 나타내는 것에 비하여 현저히 낮은 수치이다. As can be seen from the above Table 5, the membrane-electrode assembly 5 of Example 5 showed a weight reduction ratio of 2 times or more as compared with the membrane-electrode assembly 7 produced by Comparative Example 1 as a hydrocarbon base material. However, this weight reduction rate is significantly lower than that of commercially available CMX products of Astom, as shown in Table 5 above, which shows a weight reduction rate of 10% or more.

또한, 표면에 나피온 코팅을 한 실시예 6의 막-전극 접합체 6은 산화안정성이 증가하여 비교예 1의 막-전극 접합체 7의 수준에 근접하는 중량감소율 값을 가짐을 알 수 있다. 즉, Nafion 코팅이 되지 않은 실시예 5의 막-전극 접합체의 경우에도 높은 가교밀도로 인해 실제 응용에 충분한 화학적 안정성을 제공할 수 있으나, 추가적으로 표면에 Nafion 코팅을 함으로써 비교예 1의 막-전극 접합체 7에 근접하는 화학적 안정성을 구현할 수 있음을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the membrane-electrode assembly 6 of Example 6 having the surface coated with Nafion has increased oxidation stability and has a weight reduction ratio value close to that of the membrane-electrode assembly 7 of Comparative Example 1. [ That is, even in the case of the membrane-electrode assembly of Example 5 in which the Nafion coating was not performed, it is possible to provide sufficient chemical stability due to high crosslinking density in actual applications, but additionally Nafion coating on the surface can provide a membrane-electrode assembly Lt; RTI ID = 0.0 > 7, < / RTI >

3. 수전해 특성 평가 3. Evaluation of water electrolysis characteristics

실시예 1 내지 6에서 제조된 막-전극 접합체 1 내지 6과 비교예 1에서 제조된 막-전극 접합체에 대하여 상기한 바와 같은 방법으로 수소수 생산 성능을 평가하고, 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.The membrane-electrode assemblies 1 to 6 prepared in Examples 1 to 6 and the membrane-electrode assembly prepared in Comparative Example 1 were evaluated for hydrogen peroxide production performance as described above, and the results are shown in Figs. 3 and 4 Respectively.

도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 각각의 막-전극 접합체에 의한 수소 생산량은 크게 다르지 않은 결과를 나타내었다. 이는 정전류 조건이므로, 수소 생산량이 다르지 않을 것이라는 이론적 추정에 부합하는 결과이다. 만약, 수소 생산량이 적다면 이는 이온교환막의 결함 또는 낮은 이온선택도의 영향에 기인한 것으로 판단할 수 있다.As can be seen from FIG. 3, the amount of hydrogen produced by each of the membrane-electrode assemblies was not significantly different. This is consistent with the theoretical assumption that hydrogen production will not be different because it is a constant current condition. If the amount of hydrogen produced is small, it can be judged to be due to the defect of the ion exchange membrane or the effect of low ion selectivity.

또한, 도 4로부터 전압 변화없이 일정한 값을 유지함을 알 수 있다. 이는 안정적인 물분해 반응이 일어나고 있음을 의미한다. 만일 막-전극 접합체 내부에서 생산된 수소 기체가 원활하게 빠져나오지 못하는 경우나, 전극층의 촉매가 역할을 하지 못하는 경우에는 급격한 전압 상승을 관찰할 수 있을 것이다. 그러나, 실시예 1 내지 6의 모든 막-전극 접합체에서 안정적으로 전압이 유지됨을 확인할 수 있다. It can also be seen from Fig. 4 that a constant value is maintained without changing the voltage. This means that a stable water decomposition reaction is taking place. If the hydrogen gas produced in the membrane-electrode assembly can not escape smoothly or if the catalyst in the electrode layer does not function, a sudden voltage increase may be observed. However, it can be confirmed that the voltage is stably maintained in all the membrane-electrode assemblies of Examples 1 to 6.

한편, 가교제의 함량이 증가할수록 물분해 전압이 감소하는 경향을 나타냄을 확인할 수 있다. 이는 앞서 기술한 이온교환막의 전기적 저항과 일치하는 결과이다. 특히 실시예 5의 막-전극 접합체 5 및 실시예 6의 막-전극 접합체의 경우 비교예 1의 Nafion 기반의 막-전극 접합체와 동등 수준의 물분해 전압을 나타냄을 확인할 수 있다.On the other hand, the water decomposition voltage tends to decrease as the content of the crosslinking agent increases. This is consistent with the electrical resistance of the ion exchange membrane described above. In particular, the membrane-electrode assembly 5 of Example 5 and the membrane-electrode assembly of Example 6 exhibited the same decomposition voltage as that of the Nafion-based membrane-electrode assembly of Comparative Example 1.

Claims (35)

다공성 고분자 필름을 단량체, 가교제 및 개시제가 혼합된 혼합 용액에 함침하여 세공을 충진하는 단계;
상기 다공성 고분자 필름의 세공 내에 충진된 혼합 용액을 가교중합반응시키는 단계;
상기 가교중합된 고분자 필름을 양이온교환기를 갖는 용액에 함침하여 고분자 필름에 양이온교환기를 도입하여 세공충진 양이온 교환막을 제조하는 단계;
상기 세공충진 양이온 교환막을 전극층 형성용 금속 이온 함유 용액에 함침하여 전극층 형성용 금속을 이온교환시키는 단계; 및
상기 전극층 형성용 금속 이온으로 교환된 세공충진 양이온 교환막을 알칼리 수용액에 함침하여 전극층 형성용 금속 이온을 환원시켜 전극층을 형성하는 단계
를 포함하는 막-전극 접합체 제조방법.
Impregnating the porous polymer film with a mixed solution containing a monomer, a crosslinking agent and an initiator to fill the pores;
Crosslinking the mixed solution filled in the pores of the porous polymer film;
Impregnating the crosslinked polymer film with a solution having a cation exchanger and introducing a cation exchanger into the polymer film to prepare a pore filling cation exchange membrane;
Impregnating the pore-filled cation exchange membrane with a metal ion-containing solution for forming an electrode layer to ion-exchange a metal for forming an electrode layer; And
A step of impregnating a pore-filled cation exchange membrane exchanged with the metal ion for forming the electrode layer into an alkali aqueous solution to reduce metal ions for forming an electrode layer to form an electrode layer
Electrode assembly.
제1항에 있어서, 상기 양이온 교환기는 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the cation exchanger is selected from the group consisting of a sulfonic acid group (-SO 3 H), a carboxyl group (-COOH), a phosphonic group (-PO 3 H 2 ), a phosphonic group (-HPO 2 H) -AsO 3 H 2 ) and a selinolytic group (-SeO 3 H). 제1항에 있어서, 상기 단량체는 스티렌, N-페닐아크릴아미드(N-Phenylacrylamide), N-(트리페닐메틸)메타크릴아미드(N-(Triphenylmethyl)methacrylamide), 에틸렌글리콜 페닐에테르 아크릴레이트(Ethylene glycol phenyl ether acrylate), 2-히드록시-3-페녹시프로필 아크릴레이트(2-Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate), 2-술포에틸 메타크릴레이트(2-sulfoethyl methacrylate) 및 3-술포프로필 메타크릴레이트(3-sulfopropyl methacrylate)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the monomer is selected from the group consisting of styrene, N-phenylacrylamide, N- (triphenylmethyl) methacrylamide, ethylene glycol phenyl ether acrylate, phenyl ether acrylate, 2-hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate, 2-sulfoethyl methacrylate and 3-sulfopropyl methacrylate 3-sulfopropyl methacrylate). ≪ / RTI > 제1항에 있어서, 상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 하이드록시피발릭산 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트, 트리플로필렌글리콜 디아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리시클로데칸 디메탄올 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 글리세린 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트 및 트리스(2-하이드록시에틸)이소시아누레이트 트리아크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 2 이상인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the crosslinking agent is selected from the group consisting of divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol diacrylate , Hydroxypivalic acid neopentyl glycol diacrylate, tripropylene glycol diacrylate, dipropylene glycol diacrylate, triethylene glycol diacrylate, tricyclodecane dimethanol diacrylate, trimethylolpropane triacrylate, (2-hydroxyethyl) isocyanurate triacrylate, glycerin triacrylate, trimethylolpropane triacrylate, and tris (2-hydroxyethyl) isocyanurate triacrylate. 제4항에 있어서, 상기 가교제는 분자량이 서로 상이한 2 이상을 사용하는 것인 막-전극 접합체 제조방법.5. The method for manufacturing a membrane-electrode assembly according to claim 4, wherein the cross-linking agent has two or more different molecular weights. 제1항에 있어서, 상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트의 혼합물이며, 가교제 100중량%에 대하여 디비닐벤젠 60 내지 90중량%, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 3 내지 15중량%, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트 3 내지 15중량% 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트 3 내지 15중량%인 막-전극 접합체 제조방법.The crosslinking agent according to claim 1, wherein the crosslinking agent is a mixture of divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, and 1,6-hexanediol dimethacrylate, 60 to 90% by weight of divinylbenzene, 3 to 15% by weight of ethylene glycol dimethacrylate, 3 to 15% by weight of 1,3-butanediol dimethacrylate and 3 to 15% by weight of 1,6-hexanediol dimethacrylate % ≪ / RTI > 제1항에 있어서, 상기 가교중합반응은 광가교 (photo-crosslinking) 또는 열가교 (thermal crosslinking)에 의해 수행되는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the cross-linking polymerization reaction is carried out by photo-crosslinking or thermal crosslinking. 제1항에 있어서, 상기 개시제는 벤조페논, 벤질디메틸케탈, 1,2-디페닐 에탄디온, 하이드록실디메틸아세토폰 및 α-하이드록시사이클로헥실페닐메타논으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 광개시제인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the initiator is at least one photoinitiator selected from the group consisting of benzophenone, benzyldimethyl ketal, 1,2-diphenylethanedione, hydroxyldimethyl acetopone, and? -Hydroxycyclohexylphenyl methanone Lt; RTI ID = 0.0 > membrane-electrode < / RTI > 제1항에 있어서, 상기 개시제는 벤조일 퍼옥사이드, 과산화벤조일, 아조비스이소부티로니트릴, 아조메탄 및 아조이소프로판으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 열개시제인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the initiator is at least one thermal initiator selected from the group consisting of benzoyl peroxide, benzoyl peroxide, azobisisobutyronitrile, azomethane and azoisopropane. 제1항에 있어서, 상기 가교제는 단량체와 가교제의 합계 100중량%에 대하여 10 내지 30중량%의 함량으로 포함하는 것인 막-전극 접합체 제조방법. The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the cross-linking agent is contained in an amount of 10 to 30% by weight based on 100% by weight of the total of the monomer and the cross-linking agent. 제1항에 있어서, 상기 개시제는 단량체 100중량부에 대하여 1 내지 5중량부의 함량으로 포함하는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the initiator is contained in an amount of 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the monomer. 제1항에 있어서, 상기 전극층 형성용 금속이온으로 이온교환시키는 단계는,
상기 세공충진 양이온 교환막을 황산수용액에 1 내지 15시간 함침시킨 후 수세하는 단계;
메탄올 또는 에탄올과 물의 혼합 용매에 전극층 형성용 금속 이온 함유 전구체를 용해하여 백금 이온 함유 용액을 제조하는 단계; 및
상기 세정된 세공충진 양이온 교환막을 전극층 형성용 금속 이온 함유 전구체 용액에 함침하는 단계
를 포함하는 공정에 의해 수행되는 것인 막-전극 접합체 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the step of ion-
Immersing the pore-filled cation exchange membrane in an aqueous solution of sulfuric acid for 1 to 15 hours, followed by washing with water;
Dissolving a metal ion-containing precursor for forming an electrode layer in methanol or a mixed solvent of ethanol and water to prepare a platinum ion-containing solution; And
Impregnating the cleaned pore-filled cation exchange membrane with a metal ion-containing precursor solution for forming an electrode layer
≪ / RTI > wherein the process is performed by a process comprising:
제12항에 있어서, 상기 황산 수용액은 0.5 내지 2M의 농도를 갖는 것인 막-전극 접합체 제조방법.13. The method of claim 12, wherein the aqueous sulfuric acid solution has a concentration of 0.5 to 2M. 제12항에 있어서, 상기 메탄올 또는 에탄올과 물의 혼합 용매는 메탄올 또는 에탄올과 물의 부피비가 1:2 내지 1:5인 막-전극 접합체 제조방법.13. The method for manufacturing a membrane-electrode assembly according to claim 12, wherein the mixed solvent of methanol or ethanol and water has a volume ratio of methanol or ethanol to water of 1: 2 to 1: 5. 제1항에 있어서, 상기 전극층 형성용 금속 이온 함유 전구체 용액은 전극층 형성용 금속 이온을 0.1 내지 0.7mM의 농도를 갖는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the metal ion-containing precursor solution for forming an electrode layer has a concentration of metal ion for forming an electrode layer of 0.1 to 0.7 mM. 제1항에 있어서 전극층 형성용 금속이온으로 이온교환시키는 단계는 20분 내지 1시간 동안 수행하는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the step of ion-exchanging with metal ions for forming an electrode layer is performed for 20 minutes to 1 hour. 제1항에 있어서, 상기 환원은 상기 전극층 형성용 금속이온으로 이온교환된 세공충진 양이온 교환막을 pH 11 내지 14의 알칼리 수용액에 NaBH4 및 LiAlH4로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나가 용해된 환원용액에 함침하여 수행하는 것인 막-전극 접합체 제조방법.2. The method according to claim 1, wherein the reduction is performed by adding a pore-filled cation exchange membrane ion-exchanged with the metal ion for forming the electrode layer to an aqueous alkaline solution having a pH of 11 to 14 in the presence of at least one dissolved redox solution selected from the group consisting of NaBH 4 and LiAlH 4 Wherein the membrane-electrode assembly is impregnated with the electrolyte solution. 제1항에 있어서, 상기 환원용액에 함침은 30분 내지 5시간 동안 수행하는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the impregnation in the reducing solution is performed for 30 minutes to 5 hours. 제18항에 있어서, 상기 환원용액은 알칼리 수용액에 NaBH4 또는 LiAlH4가 0.6 내지 0.9M의 농도로 용해된 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 18, wherein the reducing solution is NaBH 4 or LiAlH 4 dissolved in an aqueous alkaline solution at a concentration of 0.6 to 0.9M. 제1항에 있어서, 상기 전극층 형성용 금속이온은 백금, 류테늄 또는 이들의 혼합 금속의 이온인 막-전극 접합체 제조방법.The method for manufacturing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the metal ion for forming the electrode layer is an ion of platinum, ruthenium, or a mixed metal thereof. 제17항에 있어서, 상기 알칼리 수용액은 20 내지 60℃의 온도를 갖는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 17, wherein the aqueous alkaline solution has a temperature of 20 to 60 占 폚. 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자 필름은 25㎛ 이하(0㎛은 제외한다)의 두께를 갖는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the porous polymer film has a thickness of 25 占 퐉 or less (excluding 0 占 퐉). 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자 필름은 LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), PE(Polyethylene)계 공중합체, PP(Polypropylene), EVA(Ethylene Vinyl Alcohol), EOR(Ethylene Octene Rubber)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The porous polymer film according to claim 1, wherein the porous polymer film is selected from the group consisting of LLDPE (Low Density Polyethylene), LDPE (Low Density Polyethylene), PE (Polyethylene) copolymer, PP, EVA (Ethylene Vinyl Alcohol) Rubber). ≪ / RTI > 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자 필름을 아세톤 용매에 30분 내지 5시간 동안 세척한 후 건조하는 단계를 더 포함하는 것인 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, further comprising washing the porous polymer film in an acetone solvent for 30 minutes to 5 hours and then drying the porous polymer film. 제1항에 있어서, 상기 백금이온을 환원시키는 단계에서 얻어진 막-전극 접합체를 황산 수용액으로 30분 내지 5시간 동안 함침한 후 수세하는 단계를 더 포함하는 막-전극 접합체 제조방법.The method of claim 1, further comprising the step of impregnating the membrane-electrode assembly obtained in the step of reducing the platinum ions with an aqueous sulfuric acid solution for 30 minutes to 5 hours, followed by washing with water. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세공충진 양이온교환막 상에 나피온(Nafion) 용액을 표면에 분사하여 코팅하는 단계를 더 포함하는 막-전극 접합체 제조방법.26. The method of any one of claims 1 to 25, further comprising spraying a Nafion solution onto the surface of the pore-filled cation exchange membrane to coat the membrane. 25㎛ 이하의 두께를 갖는 다공성 고분자 필름; 및
상기 다공성 고분자 필름의 표면에 전극 금속에 의한 전극층
을 포함하며, 상기 다공성 고분자 필름의 세공 내에 양이온교환수지가 충진되고, 또한 상기 전극 금속이 존재하는 수소수 생성용 막-전극 접합체.
A porous polymer film having a thickness of 25 mu m or less; And
On the surface of the porous polymer film, an electrode layer
Wherein the pores of the porous polymer film are filled with a cation exchange resin and the electrode metal is present.
제27항에 있어서, 상기 양이온교환수지는 단량체, 가교제 및 광개시제 또는 열개시제의 중합에 의한 것인 막-전극 접합체.28. The membrane-electrode assembly of claim 27, wherein said cation exchange resin is by polymerization of a monomer, a crosslinking agent and a photoinitiator or a thermal initiator. 제27항에 있어서, 상기 다공성 고분자 필름은 LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), PE(Polyethylene)계 공중합체, PP(Polypropylene), EVA(Ethylene Vinyl Alcohol), EOR(Ethylene Octene Rubber)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 막-전극 접합체.28. The method of claim 27, wherein the porous polymeric film is selected from the group consisting of LLDPE (Low Density Polyethylene), LDPE (Low Density Polyethylene), PE (Polyethylene) copolymer, PP, EVA (Ethylene Vinyl Alcohol) Rubber). ≪ / RTI > 제27항에 있어서, 상기 단량체는 스티렌, N-페닐아미드(N-Phenylacrylamide), N-트리페닐메틸 메타크릴라이드(N-(Triphenylmethyl)methacrylamide), 에틸렌글리콜 페닐에테르 아크릴레이트(Ethylene glycol phenyl ether acrylate), 2-히드록시-3-페녹시페닐 아크릴레이트(2-Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate), 2-술포에틸 메타크릴레이트(2-sulfoethyl methacrylate) 및 3-술포프로필 메타크릴레이트(3-sulfopropyl methacrylate)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 막-전극 접합체.28. The method of claim 27, wherein the monomer is selected from the group consisting of styrene, N-phenylacrylamide, N- (triphenylmethyl) methacrylamide, ethylene glycol phenyl ether acrylate 2-hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate, 2-sulfoethyl methacrylate, and 3-sulfopropyl methacrylate. methacrylate). < / RTI > 제27항에 있어서, 상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 하이드록시피발릭산 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트, 트리플로필렌글리콜 디아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리시클로데칸 디메탄올 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 글리세린 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트 및 트리스(2-하이드록시에틸)이소시아누레이트 트리아크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 분자량이 상이한 2 이상을 포함하는 것인 막-전극 접합체.28. The method of claim 27, wherein the crosslinking agent is selected from the group consisting of divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol diacrylate , Hydroxypivalic acid neopentyl glycol diacrylate, tripropylene glycol diacrylate, dipropylene glycol diacrylate, triethylene glycol diacrylate, tricyclodecane dimethanol diacrylate, trimethylolpropane triacrylate, Wherein the membrane-electrode assembly comprises two or more different molecular weights selected from the group consisting of glycerin triacrylate, trimethylolpropane triacrylate, and tris (2-hydroxyethyl) isocyanurate triacrylate. 제27항에 있어서, 상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트를 포함하는 것인 막-전극 접합체.28. The membrane-electrode assembly of claim 27, wherein the cross-linking agent comprises divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, and 1,6-hexanediol dimethacrylate. 제27항에 있어서, 상기 광개시제는 벤조페논, 벤질디메틸케탈, 1,2-디페닐 에탄디온, 하이드록실디메틸아세토폰 및 α-하이드록시사이클로헥실페닐메타논으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 막-전극 접합체.28. The method of claim 27, wherein the photoinitiator is at least one selected from the group consisting of benzophenone, benzyldimethyl ketal, 1,2-diphenylethanedione, hydroxyldimethylacetopone, and alpha -hydroxycyclohexylphenylmethanone - Electrode junction. 제27항에 있어서, 상기 열개시제는 벤조일 퍼옥사이드, 과산화벤조일, 아조비스이소부티로니트릴, 아조메탄 및 아조이소프로판으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 막-전극 접합체.28. The membrane-electrode assembly according to claim 27, wherein the thermal initiator is at least one selected from the group consisting of benzoyl peroxide, benzoyl peroxide, azobisisobutyronitrile, azomethane and azoisopropane. 제27항에 있어서, 상기 전극 금속은 백금, 루테늄 또는 이들의 혼합금속인 막-전극 접합체.28. The membrane-electrode assembly of claim 27, wherein the electrode metal is platinum, ruthenium, or a mixed metal thereof.
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