KR20200027626A - Electrolyte Membrane For Fuel Cell And Method Of Manufacturing The Same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an electrolyte membrane for a fuel cell and a manufacturing method thereof. The electrolyte membrane for a fuel cell comprises: a first ionomer coated layer disposed between an anode layer and a cathode layer facing the anode layer and containing a first ionomer; a porous support layer disposed between the first ionomer coated layer and the cathode layer and including a porous support having a plurality of voids; and a second ionomer coated layer disposed between the porous support layer and the cathode layer, and containing a second ionomer and an antioxidant, wherein the equivalent weight (EW) of the second ionomer can be lower than EW of the first ionomer.

Description

연료전지용 전해질막 및 이의 제조방법{Electrolyte Membrane For Fuel Cell And Method Of Manufacturing The Same}Electrolyte membrane for fuel cell and its manufacturing method {Electrolyte Membrane For Fuel Cell And Method Of Manufacturing The Same}

본 발명은 연료전지용 전해질막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 다른 복수개의 이오노머 코팅층이 포함되는 연료전지용 전해질막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an electrolyte membrane for a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a fuel cell electrolyte membrane including a plurality of different ionomer coating layers and a method for manufacturing the same.

연료전지에서 수소 또는 알코올과 산화제인 산소 또는 공기의 전기화학적인 반응이 진행되고, 이에 따라 화학적 에너지는 전기 에너지로 변환된다. 연료 전지는 전해질에 의해 분리된 애노드(anode)와 캐소드(cathode)를 포함한다.In the fuel cell, an electrochemical reaction of hydrogen or alcohol and oxygen or air as an oxidant proceeds, and accordingly, chemical energy is converted into electrical energy. The fuel cell includes an anode and a cathode separated by an electrolyte.

특히, 고분자 전해질형 연료전지는 통상적으로 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 양성자 교환 막(proton exchange membrane, 이하 PEM)으로 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로 구성된다. 수소이온을 원활히 이동시키며 전자의 흐름을 방지하는 역할을 한다.In particular, a polymer electrolyte fuel cell is usually composed of an anode, a cathode, and a membrane electrode assembly (MEA) comprising a polymer electrolyte membrane as a proton exchange membrane (PEM) disposed between the anode and the cathode. do. It moves hydrogen ions smoothly and prevents electron flow.

PEM 연료 전지에서 전해질막의 수소 이온(즉, 프로톤)(H+)의 이동성은, 주로 전해질막을 형성하는 이오노머(Ionomer)의 이온 교환 용량(Ion Exchange Capacity, IEC) 또는 당량(Equivalent Weight, EW)으로 결정되며, 일반적으로 높은 프로톤 전도도와 기계적 강도, 그리고 낮은 기체 투과도 및 물 투과도 등이 요구된다.The mobility of hydrogen ions (ie, protons) (H + ) in the electrolyte membrane in a PEM fuel cell is mainly determined by ion exchange capacity (IEC) or equivalent weight (EW) of ionomers forming the electrolyte membrane. It is determined, and generally requires high proton conductivity and mechanical strength, and low gas permeability and water permeability.

한편, PEM 연료 전지의 구동시 전해질막을 통해 침투하는 산소 및 수소의 반응에 의해 하이드로옥실 및 하이드로퍼옥실 라디칼이 형성된다. 그런데, 이러한 라디칼에 의해 전해질막은 화학적 공격을 받아 수명이 단축되거나 파괴되는 문제점이 있다.Meanwhile, when the PEM fuel cell is driven, hydrooxyl and hydroperoxyl radicals are formed by reaction of oxygen and hydrogen that penetrate through the electrolyte membrane. However, due to these radicals, the electrolyte membrane is subject to a chemical attack, thereby shortening or destroying its life.

한국 등록특허 제1767267호는, 전해질막의 화학적 열화를 방지하기 위해 전해질막의 중심에 위치하는 다공질 보강재에 산화방지제를 배치하여 사용하였으나, 화학적 열화가 전해질막의 표면에서부터 시작되는 것을 고려할 때 적합하지 않다. Korean Registered Patent No. 1767267 uses an antioxidant placed in a porous reinforcement located in the center of the electrolyte membrane to prevent chemical degradation of the electrolyte membrane, but is not suitable when considering that chemical degradation starts from the surface of the electrolyte membrane.

따라서, 산화방지제가 연료전지 운전 중 전위 차이, 농도 차이 또는 물의 흐름에 의해 캐소드 방향으로 이동하는 것을 고려하였을 때, 캐소드 및 애노드 사이의 전해질막의 당량(EW)이 동일한 경우 산화방지제가 캐소드 방향으로 이동 시 캐소드 측의 이오노머(예, 술폰산기) 일부가 산화방지제와 결합되어 수소 이온의 이동이 감소할 것으로 예상된다(Andrew M. Baker et al., Cerium ion mobility and diffusivity rates in perfluorosulfonic acid membranes measured via hydrogen pump operation, journal of the electrochemical society 164 (12) (2017) F1272-F1278). 따라서, 캐소드 측의 이오노머 층에서 수소 이온 이동이 병목(bottle-neck)되어 전해질막의 전체 저항을 증가시키는 문제점을 해결하는 것이 요구된다.Therefore, when considering that the antioxidant moves in the cathode direction due to a potential difference, concentration difference, or water flow during fuel cell operation, when the equivalent amount (EW) of the electrolyte membrane between the cathode and the anode is the same, the antioxidant moves in the cathode direction It is expected that some of the ionomers (e.g., sulfonic acid groups) on the cathode side are combined with antioxidants to reduce the migration of hydrogen ions (Andrew M. Baker et al., Cerium ion mobility and diffusivity rates in perfluorosulfonic acid membranes measured via hydrogen pump operation, journal of the electrochemical society 164 (12) (2017) F1272-F1278). Therefore, it is required to solve the problem of increasing the overall resistance of the electrolyte membrane due to the bottleneck of hydrogen ion migration in the ionomer layer on the cathode side.

한국 등록특허 제1767267호Korean Registered Patent No. 1767267

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 복수개의 이오노머 층을 가지는 연료전지용 전해질막을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide an electrolyte membrane for a fuel cell having a plurality of ionomer layers.

또한, 캐소드 측 이오노머 층의 이오노머 당량(EW)이 애노드 측 이오노머 층의 이오노머 당량(EW) 보다 낮게 형성된 연료전지용 전해질막을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide an electrolyte membrane for a fuel cell in which the ionomer equivalent amount (EW) of the cathode-side ionomer layer is lower than the ionomer equivalent amount (EW) of the anode-side ionomer layer.

또한, 캐소드 측 및 애노드 측 이오노머 층의 당량(EW) 차이에 의존하는 산화방지제 함량을 가지는 전해질막을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide an electrolyte membrane having an antioxidant content depending on the difference in the equivalent weight (EW) of the cathode and anode-side ionomer layers.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above. Other specific matters of the present invention are included in the detailed description and drawings.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 전해질막은,The electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention for achieving the above object,

애노드층 및 상기 애노드층과 마주보는 캐소드층 사이에 배치되고, 제1 이오노머를 포함하는 제1 이오노머 코팅층; 상기 제1 이오노머 코팅층 및 상기 캐소드층 사이에 배치되고, 복수개의 공극이 형성된 다공성 지지체를 포함하는 다공성 지지체층; 및 상기 다공성 지지체층 및 상기 캐소드층 사이에 배치되고, 제2 이오노머 및 산화방지제를 포함하는 제2 이오노머 코팅층을 포함하고,A first ionomer coating layer disposed between the anode layer and the cathode layer and the cathode layer, the first ionomer coating layer including a first ionomer; A porous support layer disposed between the first ionomer coating layer and the cathode layer and including a porous support having a plurality of voids; And a second ionomer coating layer disposed between the porous support layer and the cathode layer, and including a second ionomer and an antioxidant.

상기 제2 이오노머의 당량(Equivalent Weight)이 상기 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 낮을 수 있다.The equivalent weight of the second ionomer may be lower than the equivalent weight of the first ionomer (EW).

상기 다공성 지지체층은, 상기 다공성 지지체에 상기 제1 이오노머가 함침(impregnation)될 수 있다.In the porous support layer, the first ionomer may be impregnated into the porous support.

상기 제2 이오노머의 당량(EW)이 상기 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 100 내지 500 g/mol 낮을 수 있다.The equivalent of the second ionomer (EW) may be 100 to 500 g / mol lower than the equivalent of the first ionomer (EW).

상기 제1 이오노머의 당량(EW)은 700 내지 1100 g/mol일 수 있다.The equivalent of the first ionomer (EW) may be 700 to 1100 g / mol.

상기 제2 이오노머의 당량(EW)은 600 내지 1000 g/mol일 수 있다.The equivalent of the second ionomer (EW) may be 600 to 1000 g / mol.

상기 제1 이오노머 코팅층은 산화방지제를 포함하지 않을 수 있다.The first ionomer coating layer may not include an antioxidant.

상기 제2 이오노머 1g에 대하여 상기 산화방지제의 함량은 0.023 내지 0.189 mmol일 수 있다.The content of the antioxidant for 1 g of the second ionomer may be 0.023 to 0.189 mmol.

상기 제1 이오노머, 상기 제2 이오노머 및 상기 산화방지제는 하기 식 1의 관계를 가질 수 있다:The first ionomer, the second ionomer, and the antioxidant may have a relationship of Formula 1 below:

[식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

(상기 식에서, A는 제2 이오노머 1g 당 산화방지제의 함량(mol)이고, I1은 제1 이오노머의 당량(g/mol)이고, I2는 제2 이오노머의 당량(g/mol)이고, n은 1 이상의 양수임).(In the above formula, A is the content of the antioxidant per 1 g of the second ionomer (mol), I 1 is the equivalent of the first ionomer (g / mol), I 2 is the equivalent of the second ionomer (g / mol), n is a positive number greater than or equal to 1).

상기 제1 이오노머, 상기 제2 이오노머 및 상기 산화방지제는 하기 식 2의 관계를 가질 수 있다:The first ionomer, the second ionomer, and the antioxidant may have a relationship of the following Equation 2:

[식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

(상기 식에서, A는 제2 이오노머 1g 당 산화방지제의 함량(mol)이고, I1은 제1 이오노머의 당량(g/mol)이고, I2는 제2 이오노머의 당량(g/mol)임).(In the above formula, A is the content of the antioxidant per 1 g of the second ionomer (mol), I 1 is the equivalent of the first ionomer (g / mol), and I 2 is the equivalent of the second ionomer (g / mol)) .

본 발명에 따른 연료전지용 전해질막의 제조방법은,Method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention,

제1 이오노머를 포함하는 분산액을 제조하여 제1 이오노머 코팅층을 형성하는 단계; 상기 제1 이오노머 코팅층 위에 다공성 지지체를 적층하여 다공성 지지체층을 형성하는 단계; 및 제2 이오노머 및 산화방지제를 포함하는 분산액을 제조하여 상기 다공성 지지체층 위에 적층함으로써 제2 이오노머 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 이오노머의 당량(EW)이 상기 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 낮을 수 있다.Forming a first ionomer coating layer by preparing a dispersion containing the first ionomer; Forming a porous support layer by laminating a porous support on the first ionomer coating layer; And forming a second ionomer coating layer by laminating on the porous support layer by preparing a dispersion containing a second ionomer and an antioxidant, wherein the equivalent amount of the second ionomer (EW) is the equivalent of the first ionomer ( EW).

상기 제2 이오노머 코팅층을 형성하는 단계 후에, 상기 제1 이오노머 코팅층은 애노드층에 가깝게 배치하고, 상기 제2 이오노머 코팅층은 캐소드층에 가깝게 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the step of forming the second ionomer coating layer, the first ionomer coating layer may be disposed close to the anode layer, and the second ionomer coating layer may further include disposing the cathode layer.

상기 제2 이오노머 코팅층을 형성하는 단계 후에, 상기 전해질막을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.After forming the second ionomer coating layer, the method may further include heat treating the electrolyte membrane.

상기 다공성 지지체층을 형성하는 단계는, 상기 다공성 지지체에 상기 제1 이오노머를 함침되도록 할 수 있다.In the step of forming the porous support layer, the porous ion support may be impregnated with the first ionomer.

상기 제1 이오노머 코팅층 및 상기 제2 이오노머 코팅층은, 스핀 코팅, 바 코팅, 슬롯 다이 코팅 중에서 선택되는 방법으로 형성될 수 있다.The first ionomer coating layer and the second ionomer coating layer may be formed by a method selected from spin coating, bar coating, and slot die coating.

상기 제2 이오노머의 당량(EW)이 상기 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 100 내지 500 g/mol 낮을 수 있다.The equivalent of the second ionomer (EW) may be 100 to 500 g / mol lower than the equivalent of the first ionomer (EW).

상기 제1 이오노머, 상기 제2 이오노머 및 상기 산화방지제는 하기 식 2의 관계를 가질 수 있다:The first ionomer, the second ionomer, and the antioxidant may have a relationship of the following Equation 2:

[식 1][Equation 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

(상기 식에서, A는 제2 이오노머 1g 당 산화방지제의 함량(mol)이고, I1은 제1 이오노머의 당량(g/mol)이고, I2는 제2 이오노머의 당량(g/mol)이고, n은 1 이상의 양수임).(In the above formula, A is the content of the antioxidant per 1 g of the second ionomer (mol), I 1 is the equivalent of the first ionomer (g / mol), I 2 is the equivalent of the second ionomer (g / mol), n is a positive number greater than or equal to 1).

상기 제1 이오노머, 상기 제2 이오노머 및 상기 산화방지제는 하기 식 2의 관계를 가질 수 있다:The first ionomer, the second ionomer, and the antioxidant may have a relationship of the following Equation 2:

[식 2][Equation 2]

Figure pat00004
Figure pat00004

(상기 식에서, A는 제2 이오노머 1g 당 산화방지제의 함량(mol)이고, I1은 제1 이오노머의 당량(g/mol)이고, I2는 제2 이오노머의 당량(g/mol)임).(In the above formula, A is the content of the antioxidant per 1 g of the second ionomer (mol), I 1 is the equivalent of the first ionomer (g / mol), and I 2 is the equivalent of the second ionomer (g / mol)) .

상기 제2 이오노머의 당량(EW)이 상기 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 100 내지 500 g/mol 낮을 수 있다.The equivalent of the second ionomer (EW) may be 100 to 500 g / mol lower than the equivalent of the first ionomer (EW).

상기 제1 이오노머 코팅층을 형성하는 단계는, 상기 제1 이오노머의 당량(EW)이 700 내지 1100 g/mol인 분산액을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The forming of the first ionomer coating layer may include preparing a dispersion having an equivalent weight (EW) of the first ionomer of 700 to 1100 g / mol.

상기 제2 이오노머 및 산화방지제를 포함하는 분산액의 제조는, 상기 제2 이오노머의 당량(EW)이 600 내지 1000 g/mol인 분산액을 제조한 후, 상기 제2 이오노머 1g에 대하여 상기 산화방지제 0.023 내지 0.189 mmol을 첨가하여 재분산시키는 단계를 포함할 수 있다.Preparation of the dispersion containing the second ionomer and an antioxidant, after preparing a dispersion having an equivalent weight (EW) of the second ionomer of 600 to 1000 g / mol, the antioxidant of 0.023 to 1 g of the second ionomer And redispersing by adding 0.189 mmol.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. Specific details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.

본 발명의 몇몇 실시예에 따른 연료전지용 전해질막 및 이의 제조방법에 따르면, 캐소드 측 이오노머 층의 이오노머 당량(EW)이 애노드 측 이오노머 층의 이오노머 당량(EW) 보다 낮게 형성되므로, 캐소드 측 이오노머 층에 산화방지제가 위치함에도 불구하고 캐소드 측 및 애노드 측 이오노머 층의 수소 이온(즉, 프로톤) 이동성이 동등하게 유지된다.According to the electrolyte membrane for a fuel cell and a method of manufacturing the fuel cell according to some embodiments of the present invention, since the ionomer equivalent amount (EW) of the cathode-side ionomer layer is formed lower than the ionomer equivalent amount (EW) of the anode-side ionomer layer, the cathode-side ionomer layer is formed. Despite the presence of antioxidants, the hydrogen ion (ie, proton) mobility of the cathode and anode side ionomer layers remains the same.

또한, 캐소드 측 및 애노드 측 이오노머 층의 수소 이온 이동성이 동등하게 유지됨에 따라, 연료전지 운전 중 산화방지제가 애노드에서 캐소드 방향으로 이동함에도 불구하고, 수소 이온 이동이의 병목(bottle-neck)이 발생되지 않아 전체 전해질막의 저항 증가가 방지된다.In addition, as the hydrogen ion mobility of the cathode side and anode side ionomer layers is maintained equally, a bottle-neck of hydrogen ion migration occurs even though the antioxidant moves in the anode to cathode direction during fuel cell operation. The increase in resistance of the entire electrolyte membrane is prevented.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effect of this invention is not limited to the effect mentioned above. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be deduced from the following description.

도 1은 종래의 연료전지용 전해질막에서 운전 중 주행 시간에 따라 산화방지제의 이동 및 수소 이온의 이동성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전해질막의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전해질막의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전해질막에서 수소 이온의 이동성을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전해질막의 제조방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 전해질막의 제조방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 전해질막의 제조방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
1 is a schematic diagram showing the mobility of antioxidants and the mobility of hydrogen ions according to the driving time during operation in a conventional electrolyte membrane for a fuel cell.
2 is a cross-sectional view of an electrolyte membrane for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of an electrolyte membrane for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram showing the mobility of hydrogen ions in the fuel cell electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart schematically showing a method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart schematically showing a method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
7 is a flowchart schematically showing a method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be clarified with reference to embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be embodied in various different forms, and the present embodiments merely make the disclosure of the present invention complete, and those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the person having the scope of the invention, which is defined only by the scope of the claims. The same reference numerals refer to the same components throughout the specification.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in the present specification may be used as meanings commonly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. In addition, terms defined in the commonly used dictionary are not ideally or excessively interpreted unless specifically defined.

또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하다(comprises)”및/또는 "가지다(include)"는 언급된 구성요소, 특징, 숫자, 단계 및/또는 동작 이외에 하나 이상의 다른 구성요소, 특징, 숫자, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In addition, the terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular form also includes the plural form unless otherwise specified in the phrase. As used herein, “comprises” and / or “includes” one or more other components, features, numbers, steps and / or actions other than the components, features, numbers, steps and / or actions mentioned It is used in a sense that does not exclude the presence or addition of an action. And “and / or” includes each and all combinations of one or more of the items mentioned.

또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In addition, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case "directly above" the other part but also another part in the middle. Conversely, when a portion of a layer, film, region, plate, or the like is said to be “under” another portion, this includes not only the case “underneath” the other portion but also another portion in the middle.

달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.Unless otherwise specified, all numbers, values, and / or expressions expressing the amounts of ingredients, reaction conditions, polymer compositions and formulations used herein are those numbers that occur in obtaining these values, among other things. As these are approximations that reflect the various uncertainties of the measurement, it should be understood that in all cases they are modified by the term "about". In addition, when numerical ranges are disclosed in this description, these ranges are continuous, and include all values from the minimum value in this range to the maximum value including the maximum value, unless otherwise indicated. Further, when such a range refers to an integer, all integers including the minimum value to the maximum value including the maximum value are included unless otherwise indicated.

본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.In the present specification, when a range is described for a variable, it will be understood that the variable includes all values within the described range including the described endpoints of the range. For example, a range of “5 to 10” includes values of 5, 6, 7, 8, 9, and 10, as well as any subrange of 6 to 10, 7 to 10, 6 to 9, 7 to 9, and the like. It will be understood to include, and include any value between integers pertinent to the stated range of ranges such as 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 to 8.5 and 6.5 to 9, and the like. Also, for example, the range of “10% to 30%” is 10% to 15%, 12% to 10%, 11%, 12%, 13%, etc., and all integers including up to 30%. It will be understood that it includes any subranges such as 18%, 20% to 30%, etc., and also includes any value between valid integers within the scope of the stated range, such as 10.5%, 15.5%, 25.5%, and the like.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 종래의 연료전지용 전해질막을 나타내는 개략도이다. 도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전해질막의 단면도이다.1 is a schematic view showing a conventional electrolyte membrane for a fuel cell. 2 to 4 are cross-sectional views of an electrolyte membrane for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

우선 도 1을 참조하면, 종래의 연료전지용 전해질막(100')은 동일한 이오노머 당량(EW) 및 균일한 산화방지제(105) 분포를 가지므로, 연료전지 운전 중 주행 시간에 따라 산화방지제(105)가 애노드(210)에서 캐소드(220) 방향으로 이동하게 된다. 이와 같은 산화방지제(105)의 이동은, 주행에 따른 전위 차이, 농도 차이 또는 물의 흐름 등으로부터 유래될 수 있다. 따라서, 주행 시간에 따라 애노드(210) 보다 캐소드(220) 측의 전해질막(100')에 산화방지제(105)의 농도가 높아지게 되고, 그 결과 산화방지제(105)는 일반적으로 이오노머(예를 들어, 술폰산기(-SO3)를 포함하는 이오노머)의 일부와 결합한 형태로 존재하게 된다. 그 결과, 도 1에 도시된 것과 같이, 이오노머 및 산화방지제(105)의 결합에 따라 수소 이온의 이동이 감소할 수 있고, 수소 이온 이동의 병목(bottle-neck)에 따른 전해질막의 저항(즉, 이온 저항) 증가가 야기될 수 있다.First, referring to FIG. 1, since the conventional electrolyte membrane for fuel cell 100 'has the same ionomer equivalent weight (EW) and uniform antioxidant 105 distribution, the antioxidant 105 according to the driving time during fuel cell operation Is moved from the anode 210 to the cathode 220. The movement of the antioxidant 105 may be derived from a potential difference, a concentration difference, or a water flow according to driving. Accordingly, the concentration of the antioxidant 105 is increased in the electrolyte membrane 100 ′ of the cathode 220 side than the anode 210 according to the driving time, and as a result, the antioxidant 105 is generally an ionomer (for example, , And a sulfonic acid group (ionomer containing -SO 3 ). As a result, as shown in FIG. 1, the movement of hydrogen ions may be reduced according to the combination of the ionomer and the antioxidant 105, and the resistance of the electrolyte membrane according to the bottle-neck of the hydrogen ion movement (ie, Ion resistance).

이어서 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 전해질막(100)은, 제1 이오노머를 포함하는 제1 이오노머 코팅층(110), 제2 이오노머 및 산화방지제를 포함하는 제2 이오노머 코팅층(120), 및 복수개의 공극(Pore)이 형성된 다공성 지지체를 가지는 다공성 지지체층(115)을 포함할 수 있다. 특히, 본 발명에서 다공성 지지체층(115)은, 제1 이오노머 코팅층(110) 및 제2 이오노머 코팅층(120) 사이에 배치될 수 있다. 한편, 본 발명에서 제1 및 제2 이오노머는 예를 들어, 술폰산기(SO3 -)를 포함하는 이오노머를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에서 산화방지제는 예를 들어, 세륨계 이온(예를 들어, Ce3+ 또는 Ce4+)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Subsequently, referring to FIG. 2, the electrolyte membrane 100 for a fuel cell according to the present invention includes a first ionomer coating layer 110 including a first ionomer, a second ionomer coating layer 120 including a second ionomer and an antioxidant. , And a porous support layer 115 having a porous support in which a plurality of pores are formed. In particular, the porous support layer 115 in the present invention may be disposed between the first ionomer coating layer 110 and the second ionomer coating layer 120. Meanwhile, in the present invention, the first and second ionomers may be, for example, ionomers containing sulfonic acid groups (SO 3 ), but are not limited thereto. In addition, the antioxidant in the present invention may be, for example, cerium-based ions (for example, Ce 3+ or Ce 4+ ), but is not limited thereto.

한편, 다공성 지지체층(115)의 공극에는 제1 이오노머가 충진되어 포함될 수 있다. 예를 들어, 다공성 지지체에 제1 이오노머가 함침(impregnation)되어 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.On the other hand, the pores of the porous support layer 115 may include a first ionomer filled. For example, the first ionomer may be included in the porous support impregnation, but is not limited thereto.

이어서, 도 3을 참조하여 보다 자세히 설명하면, 본 발명의 연료전지용 전해질막(100)은 애노드층(210) 및 애노드층(210)과 마주보는 캐소드층(220) 사이에 배치되는 제1 이오노머 코팅층(110); 제1 이오노머 코팅층(110) 및 캐소드층(220) 사이에 배치되는 다공성 지지체층(115); 및 다공성 지지체층(115) 및 캐소드층(220) 사이에 배치되는 제2 이오노머 코팅층(120)을 포함할 수 있다.Subsequently, referring to FIG. 3 in more detail, the electrolyte membrane 100 for a fuel cell of the present invention includes a first ionomer coating layer disposed between the anode layer 210 and the anode layer 210 and the opposite cathode layer 220. (110); A porous support layer 115 disposed between the first ionomer coating layer 110 and the cathode layer 220; And a second ionomer coating layer 120 disposed between the porous support layer 115 and the cathode layer 220.

특히, 본 발명의 전해질막(100)에서, 제2 이오노머 코팅층(120)의 제2 이오노머의 당량(Equivalent Weight, EW)은 제1 이오노머 코팅층(110)의 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 낮을 수 있다. 바람직하게, 본 발명에서 제2 이오노머의 당량(EW)은 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 100 내지 500 g/mol 낮을 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 이오노머가 술폰산기(SO3 -)를 포함하는 이오노머인 경우, 이오노머의 당량(EW)은 술폰산기(SO3 -)의 개수를 나타내는 지표일 수 있다. 따라서, 제1 이오노머 보다 당량(EW)이 낮은 제2 이오노머는, 술폰산기(SO3 -)의 개수가 보다 많을 수 있다.In particular, in the electrolyte membrane 100 of the present invention, the equivalent weight (EW) of the second ionomer of the second ionomer coating layer 120 is lower than the equivalent weight (EW) of the first ionomer of the first ionomer coating layer 110. You can. Preferably, in the present invention, the equivalent of the second ionomer (EW) may be 100 to 500 g / mol lower than the equivalent of the first ionomer (EW). For example, when the first and second ionomers are ionomers containing a sulfonic acid group (SO 3 ), the equivalent of the ionomer (EW) may be an index indicating the number of sulfonic acid groups (SO 3 ). Therefore, the second ionomer having a lower equivalent weight (EW) than the first ionomer may have a larger number of sulfonic acid groups (SO 3 ).

본 발명에 따른 연료전지용 전해질막(100)에서 제1 이오노머의 당량(EW)은 예를 들어, 700 내지 1100 g/mol일 수 있다. 또한, 제2 이오노머의 당량(EW)은 600 내지 1000 g/mol일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제2 이오노머 코팅층(120)은, 600 보다 더 낮은 당량(EW)의 제2 이오노머를 사용할 수도 있다.The equivalent of the first ionomer (EW) in the electrolyte membrane 100 for a fuel cell according to the present invention may be, for example, 700 to 1100 g / mol. In addition, the equivalent (EW) of the second ionomer may be 600 to 1000 g / mol, but is not limited thereto. That is, the second ionomer coating layer 120 may use a second ionomer having an equivalent weight (EW) lower than 600.

한편, 운전 시 주행 시간에도 불구하고 제1 및 제2 이오노머 코팅층(120)의 균일한 수소 이온 전도도의 확보하기 위해(즉, 전해질막(100)의 저항(즉, 이온 저항) 증가의 방지를 위해), 본 발명에 따른 연료전지용 전해질막(100)에서 산화방지제의 적정 함량은 제1 이오노머 및 제2 이오노머의 당량(EW)을 이용하여 도출될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에서 제1 이오노머, 제2 이오노머 및 산화방지제의 함량은 하기 식 1의 관계를 가질 수 있다.On the other hand, in order to secure uniform hydrogen ion conductivity of the first and second ionomer coating layers 120 despite driving time during operation (that is, to prevent the resistance of the electrolyte membrane 100 (ie, ion resistance) from increasing) ), The appropriate content of the antioxidant in the fuel cell electrolyte membrane 100 according to the present invention can be derived by using the equivalent of the first ionomer and the second ionomer (EW). More specifically, in the present invention, the content of the first ionomer, the second ionomer, and the antioxidant may have a relationship of Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 식 1에서, A는 이오노머 1g 당 산화방지제의 함량(mol)이고, I1은 제1 이오노머의 당량(g/mol)이고, I2는 제2 이오노머의 당량(g/mol)이고, n은 1 이상의 양수이다.In the above formula 1, A is the content of the antioxidant per 1 g of ionomer (mol), I 1 is the equivalent of the first ionomer (g / mol), I 2 is the equivalent of the second ionomer (g / mol), n Is a positive number greater than or equal to 1.

바람직하게, 본 발명의 상기 식 1에서 n은 4이고, 하기 식 2의 관계를 가질 수 있다.Preferably, in Formula 1 of the present invention, n is 4, and may have a relationship of Formula 2 below.

[식 2][Equation 2]

Figure pat00006
Figure pat00006

한편, 앞서 설명한 것과 같이, 본 발명에서 바람직한 제1 이오노머 및 제2 이오노머의 당량(EW)은 각각 700 내지 1100 g/mol 및 600 내지 1000 g/mol일 수 있고, 제2 이오노머의 당량(EW)이 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 100 내지 500 g/mol 낮을 수 있으므로, 본 발명의 제2 이오노머 코팅층(120)에서 산화방지제는 이오노머(특히, 제2 이오노머) 1g에 대하여 0.023 내지 0.189 mmol의 함량으로 포함될 수 있다.On the other hand, as described above, the equivalent of the first ionomer and the second ionomer (EW) preferred in the present invention may be 700 to 1100 g / mol and 600 to 1000 g / mol, respectively, and the equivalent of the second ionomer (EW) Since it may be 100 to 500 g / mol lower than the equivalent (EW) of the first ionomer, the antioxidant in the second ionomer coating layer 120 of the present invention is 0.023 to 0.189 mmol of 1 g of ionomer (particularly, second ionomer). Content.

한편, 본 발명에 따른 연료전지용 전해질막(100)에서 제1 이오노머 코팅층(110)은, 제2 이오노머 코팅층(120)보다 적게 산화방지제를 포함하거나, 또는 바람직하게 산화방지제를 포함하지 않을 수 있다. 즉, 운전 중 연료전지의 전해질막(100)의 화학적 열화는 애노드층(210) 보다 캐소드층(220)과 가까운 영역에서 보다 발생되므로, 제2 이오노머 코팅층(120)에 산화방지제가 보다 포함되거나, 바람직하게는 제2 이오노머 코팅층(120)에만 포함될 수 있다.On the other hand, the first ionomer coating layer 110 in the electrolyte membrane 100 for a fuel cell according to the present invention may include less antioxidant than the second ionomer coating layer 120, or preferably not include an antioxidant. That is, since the chemical deterioration of the electrolyte membrane 100 of the fuel cell during operation occurs more in the region closer to the cathode layer 220 than the anode layer 210, the second ionomer coating layer 120 contains more antioxidants, Preferably, it may be included only in the second ionomer coating layer 120.

이어서 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 전해질막(100)은 종래 전해질막(도 1 참조)에 비하여 수소 이온의 이동성이 향상될 수 있다. Subsequently, referring to FIG. 4, the electrolyte membrane 100 for a fuel cell according to the present invention may have improved mobility of hydrogen ions compared to a conventional electrolyte membrane (see FIG. 1).

앞서 설명한 것과 같이, 본 발명에서 제1 이오노머 코팅층(110)은 애노드층(210)에, 제2 이오노머 코팅층(120)은 캐소드층(220)에 가까이 배치되고, 제2 이오노머 당량(EW)이 제1 이오노머 당량(EW) 보다 낮게 형성되므로(즉, 예를 들어, 제1 및 제2 이오노머가 술폰산기(SO3 -)를 포함하는 이오노머인 경우에, 제2 이오노머의 술폰산기(SO3 -)가 보다 많으므로), 운전 시 주행 시간에 따라 제2 이오노머 코팅층(120)에 위치하는 산화방지제가 제2 이오노머의 술폰산기(SO3 -)와 결합함에도 불구하고, 제1 및 제2 이오노머 코팅층(110, 120)에서 수소 이온의 이동성(즉, 프로톤 전도도)이 동등 또는 유사하게 유지될 수 있다. 따라서, 연료전지 운전 중 산화방지제(105)가 캐소드층(220) 방향으로 이동함에도 불구하고, 종래 전해질막(도 1 참조)과 달리 수소 이온 이동의 병목(bottle-neck)이 발생되지 않는다. 따라서, 본 발명의 연료전지용 전해질막(100)은 전체적으로 이온 저항 증가가 방지된다.As described above, in the present invention, the first ionomer coating layer 110 is disposed on the anode layer 210, the second ionomer coating layer 120 is disposed close to the cathode layer 220, and the second ionomer equivalent weight (EW) is It is formed lower than 1 ionomer equivalent (EW) (i.e., when the first and second ionomers are ionomers containing sulfonic acid groups (SO 3 ), the sulfonic acid groups of the second ionomers (SO 3 ) the so than many), an antioxidant, which is located in the second ionomer coating layer 120 according to the running time when operating a sulfonic acid group (sO 3 of the second ionomer - even though combined with), and the first and second ionomer coating ( At 110, 120), the mobility of hydrogen ions (ie, proton conductivity) can be maintained equal or similar. Therefore, although the antioxidant 105 moves in the direction of the cathode layer 220 during fuel cell operation, unlike the conventional electrolyte membrane (see FIG. 1), a bottleneck of hydrogen ion migration is not generated. Therefore, the electrolyte membrane 100 for a fuel cell of the present invention is prevented from increasing the ion resistance as a whole.

한편, 앞서 설명한 것과 같이, 제1 및 제2 이오노머 코팅층(110, 120)의 동등한 수소 이온 이동성 확보를 위해, 산화방지제(105)의 바람직한 함량은 제1 및 제2 이오노머의 당량(EW)에 의존하는 관계(식 1 또는 식 2 참조)를 가질 수 있다.On the other hand, as described above, in order to secure the equivalent hydrogen ion mobility of the first and second ionomer coating layers 110 and 120, the preferred content of the antioxidant 105 depends on the equivalent weight of the first and second ionomers (EW) Relationship (see equation 1 or equation 2).

이하, 도 5 내지 도 7의 순서도를 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 연료전지용 전해질막의 제조방법을 설명한다. 설명의 편의상, 도 1 내지 도 4를 이용하여 설명한 것과 다른 점을 위주로 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell according to some embodiments of the present invention will be described with reference to flowcharts of FIGS. 5 to 7. For convenience of description, differences from those described with reference to FIGS. 1 to 4 will be mainly described.

우선, 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 전해질막(도 4의 100 참조)의 제조방법은, 제1 이오노머 코팅층(도 4의 110 참조) 제2 이오노머 코팅층(도 4의 120 참조) 및 다공성 지지체층(도 4의 115 참조)을 포함하는 전해질막(100)을 형성하는 단계(S100); 및 제1 이오노머 코팅층(110)은 애노드층(도 4의 210 참조)에 가깝게 배치하고, 제2 이오노머 코팅층(120)은 캐소드층(도 4의 220 참조)과 가깝게 배치하는 단계(S200)를 포함할 수 있다.First, referring to FIG. 5, a method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell (see 100 in FIG. 4) according to the present invention includes a first ionomer coating layer (see 110 in FIG. 4) and a second ionomer coating layer (see 120 in FIG. 4). And forming an electrolyte membrane 100 including a porous support layer (see 115 of FIG. 4) (S100); And the first ionomer coating layer 110 is disposed close to the anode layer (see 210 in FIG. 4), and the second ionomer coating layer 120 is disposed close to the cathode layer (see 220 in FIG. 4) (S200). can do.

이어서 도 6를 참조하면, 연료전지용 전해질막(100)을 형성하는 단계(S100)는 구체적으로, 제1 이오노머 코팅층을 형성하는 단계(S110); 다공성 지지체층(115)을 형성하는 단계(S115); 및 제2 이오노머 코팅층을 형성하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.Subsequently, referring to FIG. 6, the step of forming the electrolyte membrane 100 for a fuel cell (S100) is specifically, a step of forming a first ionomer coating layer (S110); Forming a porous support layer 115 (S115); And forming a second ionomer coating layer (S120).

도 7을 참조하면, 연료전지용 전해질막(100)을 형성하는 단계(S100)는 보다 구체적으로, 제1 이오노머가 포함되는 분산액을 제조(S111)하여 제1 이오노머 코팅층(110)을 코팅하는 단계(S113); 제1 이오노머 코팅층(110) 위에 다공성 지지체를 적층하여 다공성 지지체층(115)을 형성하는 단계(S115); 및 제2 이오노머 및 산화방지제(도 4의 105 참조)를 포함되는 분산액을 제조(S121)하여, 다공성 지지체층(115) 위에 적층함으로써 제2 이오노머 코팅층(120)을 코팅하는 단계(S123)를 포함할 수 있다. 이 때, 앞서 설명한 것과 같이, 본 발명에서 제2 이오노머의 당량(EW)은 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 낮을 수 있다. 바람직하게 제2 이오노머의 당량(EW)은 예를 들어, 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 100 내지 500 g/mol 낮을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Referring to FIG. 7, the step of forming the electrolyte membrane 100 for a fuel cell (S100) is more specifically, preparing a dispersion containing the first ionomer (S111) and coating the first ionomer coating layer 110 ( S113); Forming a porous support layer 115 by laminating a porous support on the first ionomer coating layer 110 (S115); And preparing a dispersion comprising a second ionomer and an antioxidant (see 105 in FIG. 4) (S121), coating the second ionomer coating layer 120 by laminating on the porous support layer 115 (S123). can do. At this time, as described above, in the present invention, the equivalent of the second ionomer (EW) may be lower than the equivalent of the first ionomer (EW). Preferably, the equivalent of the second ionomer (EW) may be, for example, 100 to 500 g / mol lower than the equivalent of the first ionomer (EW), but is not limited thereto.

또한, 본 발명에서 제2 이오노머 및 산화방지제(105)를 포함하는 분산액의 제조(S121)는, 먼저 제2 이오노머의 분산액을 제조한 후, 산화방지제(105)를 첨가하여 재분산시키는 단계를 포함할 수 있다.In addition, in the present invention, the preparation of the dispersion containing the second ionomer and the antioxidant 105 (S121) includes first preparing the dispersion of the second ionomer and then adding the antioxidant 105 to redisperse it. can do.

한편, 앞서 설명한 것과 같이, 제1 이오노머의 당량(EW)은 700 내지 1100 g/mol가 되도록 분산액을 제조(S111)하고, 제2 이오노머의 당량(EW)은 600 내지 1000 g/mol이 되도록 분산액을 제조(S121)할 수 있다. 특히, 본 발명에서 앞서 설명한 상기 식 2에 따라, 제2 이오노머의 분산액에 제2 이오노머 1g에 대하여 산화방지제(105) 0.023 내지 0.189 mmol을 첨가하여 재분산시킴으로써 분산액을 제조(S121)할 수 있다. 따라서, 산화방지제(105)로서 몰질량이 140,000mg/mol인 세륨 이온(예를 들어, Ce3+ 또는 Ce4+)을 사용하는 경우, 바람직하게 이오노머(즉, 제2 이오노머) 1g당 3.2 내지 26.5mg을 첨가할 수 있다. On the other hand, as described above, the equivalent of the first ionomer (EW) to prepare a dispersion to be 700 to 1100 g / mol (S111), the equivalent of the second ionomer (EW) is a dispersion to be 600 to 1000 g / mol It can be manufactured (S121). In particular, according to Formula 2 described above in the present invention, a dispersion may be prepared by adding and redispersing 0.023 to 0.189 mmol of the antioxidant (105) with respect to 1 g of the second ionomer to the dispersion of the second ionomer (S121). Therefore, when using a cerium ion (for example, Ce 3+ or Ce 4+ ) having a molar mass of 140,000 mg / mol as the antioxidant 105, preferably 3.2 to 1 per ionomer (ie, second ionomer) 26.5mg can be added.

한편, 제1 및 제2 이오노머 코팅층을 코팅하는 단계(S113, S123)는, 스핀 코팅, 바 코팅, 슬롯 다이 코팅 중에서 선택되는 방법으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Meanwhile, the steps of coating the first and second ionomer coating layers (S113 and S123) may be formed by a method selected from spin coating, bar coating, and slot die coating, but are not limited thereto.

또한, 제1 및 제2 이오노머 코팅층을 코팅하는 단계(S113, S123)는, 각 제조된 분산액을 코팅한 뒤에 건조시키는 공정이 더 진행될 수 있다. 이와 같은 건조 공정의 경우, 이오노머 분산액 제조(S111, S121) 시에 사용한 용액에 의존적인 온도 및 시간에서 건조될 수 있다. 예를 들어, 프로판올(Propanol), 이소프로판올(Iso-propanol), 에탄올(Ethanol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 용매를 포함하는 용액으로 사용하는 경우, 바람직하게 80 내지 100 ℃에서 약 1시간 동안 건조될 수 있다.In addition, in the steps of coating the first and second ionomer coating layers (S113 and S123), a process of drying after coating each prepared dispersion may be further performed. In the case of such a drying process, it may be dried at a temperature and time depending on the solution used in preparing the ionomer dispersion (S111, S121). For example, when used as a solution containing a solvent selected from the group consisting of propanol, isopropanol, ethanol, and combinations thereof, preferably at 80 to 100 ° C. for about 1 hour While drying.

또한, 본 발명에 따른 연료전지용 전해질막(100)의 제조방법은, 바람직하게 제2 이오노머 코팅층(120)을 형성하는 단계(S120) 후에, 전해질막(100)을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 열처리 공정을 통해, 이오노머 코팅층(110, 120)에 포함된 잔류 용매가 충분히 제거될 수 있고, 상기 이오노머 코팅층(110, 120) 및 다공성 지지체층(115) 간에 접합이 강화될 수 있다. 또한, 이온 전도성 고분자가 사용된 전해질막(100)의 경우, 열처리 공정을 통해 충분히 열경화가 이루어질 수 있다.In addition, the manufacturing method of the electrolyte membrane 100 for a fuel cell according to the present invention, preferably after the step of forming the second ionomer coating layer 120 (S120), may further include the step of heat-treating the electrolyte membrane 100 have. Through this heat treatment process, residual solvents contained in the ionomer coating layers 110 and 120 may be sufficiently removed, and bonding between the ionomer coating layers 110 and 120 and the porous support layer 115 may be strengthened. In addition, in the case of the electrolyte membrane 100 in which an ion conductive polymer is used, sufficient heat curing may be achieved through a heat treatment process.

이와 같은 열처리 공정은, 사용된 이오노머의 물성에 의존적인 온도 및 시간에서 가열될 수 있다. 예를 들어, 술폰산기(SO3 -)를 포함하는 제1 및 제2 이오노머를 사용하는 경우, 바람직하게 140 내지 200 ℃에서 3 내지 60분 동안 가열이 진행될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 140 내지 200 ℃에서 3 내지 10분 동안 가열이 진행될 수 있다.Such a heat treatment process can be heated at a temperature and time depending on the properties of the ionomer used. For example, when using the first and second ionomers containing sulfonic acid groups (SO 3 ), heating may be preferably performed at 140 to 200 ° C. for 3 to 60 minutes. More preferably, heating may be performed at 140 to 200 ° C. for 3 to 10 minutes.

또한, 본 발명에 따른 전해질막(100)의 제조방법에서 다공성 지지체층(115)을 형성하는 단계(S115)는 예를 들어, 다공성 지지체의 공극에 제1 이오노머가 충진되도록, 제1 이오노머를 다공성 지지체 위에 함침시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미 형성된 제1 이오노머 코팅층(110)의 제1 이오노머가 다공성 지지체에 잘 스며들 수 있도록 물리적 압력을 가하거나, 제1 이오노머 코팅층(110) 위에 다공성 지지체를 적층시켜 일정 시간 방치함으로써 제1 이오노머를 다공성 지지체에 충진할 수 있다. 특히, 이와 같이 제1 이오노머를 다공성 지지체층(115)에 먼저 충진시키면, 제2 이오노머 코팅층(120)으로부터 유래된 제2 이오노머 및 산화방지제(105)가 다공성 지지체층(115)에 상대적으로 적게 충진될 수 있다.In addition, the step (S115) of forming the porous support layer 115 in the method of manufacturing the electrolyte membrane 100 according to the present invention is such that the first ionomer is porous, such that the first ionomer is filled in the pores of the porous support. And impregnating on the support. For example, the first ionomer of the already formed first ionomer coating layer 110 is subjected to physical pressure to allow it to permeate the porous support well, or by stacking the porous support on the first ionomer coating layer 110 for a certain period of time to remove the first ionomer. 1 The ionomer can be filled into a porous support. Particularly, when the first ionomer is first filled in the porous support layer 115, the second ionomer and the antioxidant 105 derived from the second ionomer coating layer 120 are relatively less filled in the porous support layer 115. Can be.

한편, 본 발명의 연료전지용 전해질막(100)에서, 제1 및 제2 이오노머 코팅층(110,120)은 예를 들어, 10 내지 100 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1 및 제2 이오노머 코팅층(110, 120)의 두께는 제조하고자 하는 전해질막(100)의 두께에 따라 달라질 수 있다. Meanwhile, in the electrolyte membrane 100 for a fuel cell of the present invention, the first and second ionomer coating layers 110 and 120 may have a thickness of, for example, 10 to 100 μm, but are not limited thereto. That is, the thickness of the first and second ionomer coating layers 110 and 120 may vary depending on the thickness of the electrolyte membrane 100 to be manufactured.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 예시적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 사용된 제1 및 제2 이오노머의 당량(EW) 및 이온 교환 용량(IEC)과 도출한 적정 산화방지제 함량을 표 1에 나타내었다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples. In addition, Table 1 shows the equivalents (EW) and ion exchange capacity (IEC) of the first and second ionomers used and the appropriate antioxidant content.

실시예 1Example 1

연료전지용 전해질막의 제조Preparation of electrolyte membrane for fuel cells

술폰산기(-SO3)를 포함하고, 당량(EW)이 700 g/mol인 제1 이오노머 분산액을 제조하였다. 제조된 제1 이오노머 분산액을 유리판 상부에 10 내지 100㎛두께로 코팅하였다(제1 이오노머 코팅층 제조). 이 때, 코팅 방법은 스핀 코팅, 닥터 블레이드를 이용한 캐스팅, 바 코팅, 슬롯 다이 코팅 중 하나를 선택하였다.A first ionomer dispersion having a sulfonic acid group (-SO 3 ) and an equivalent weight (EW) of 700 g / mol was prepared. The prepared first ionomer dispersion was coated with a thickness of 10 to 100 μm on the top of the glass plate (preparation of the first ionomer coating layer). At this time, the coating method was selected from spin coating, casting using a doctor blade, bar coating, and slot die coating.

상기 코팅된 제1 이오노머 코팅층의 상부에 복수개의 포어를 가진 다공성 지지체를 적층하였다(다공성 지지체층 제조). 이 때, 이미 코팅된 제1 이오노머 분산액이 잘 스며들 수 있도록 물리적 압력을 가하였다(또는, 일정 시간을 방치할 수도 있음). 이 후, 80 내지 100 ℃에서 1시간 동안 건조하였다.A porous support having a plurality of pores was laminated on the coated first ionomer coating layer (preparation of porous support layer). At this time, physical pressure was applied to allow the already coated first ionomer dispersion to permeate well (or may be left for a certain period of time). Then, it was dried at 80 to 100 ° C. for 1 hour.

술폰산기(-SO3)를 포함하고, 당량(EW)이 600 g/mol인 제2 이오노머 분산액을 제조한 후, 상기 제2 이오노머 분산액에 산화방지제로서 세륨(Ce)을 이오노머(즉, 제2 이오노머) 1g당 8.33 mg 첨가한 후, 재분산시켰다. 이와 같이 제조된 재분산액을 상기 제1 이오노머 코팅층 상부에 10 내지 100㎛두께로 코팅하였다(제2 이오노머 코팅층 제조). 이 때에도, 코팅 방법은 제1 이오노머 코팅층과 마찬가지로, 스핀 코팅, 닥터 블레이드를 이용한 캐스팅, 바 코팅, 슬롯 다이 코팅 중 하나를 선택하였다. 이 후, 80 내지 100 ℃에서 1시간 동안 건조하였다.After preparing a second ionomer dispersion having a sulfonic acid group (-SO 3 ) and having an equivalent weight (EW) of 600 g / mol, cerium (Ce) as an antioxidant in the second ionomer dispersion is ionomer (i.e., a second Ionomer) 8.33 mg per 1 g was added and redispersed. The redispersion solution thus prepared was coated on the first ionomer coating layer to a thickness of 10 to 100 μm (preparation of the second ionomer coating layer). At this time, as for the coating method, one of spin coating, casting using a doctor blade, bar coating, and slot die coating was selected as in the first ionomer coating layer. Then, it was dried at 80 to 100 ° C. for 1 hour.

그 다음, 순차적으로 제1 이오노머 코팅층, 다공성 지지체층 및 제2 이오노머 코팅층이 적층되어 제조된 전해질막을 140 내지 200 ℃에서 3 내지 10분 동안 열처리를 진행하였다.Then, sequentially, the first ionomer coating layer, the porous support layer, and the second ionomer coating layer were laminated, and the prepared electrolyte membrane was heat treated at 140 to 200 ° C. for 3 to 10 minutes.

상기 제조된 전해질막 중, 당량(EW)이 높고 산화방지제가 없는 제1 이오노머 코팅층은 애노드층을 바라보게 위치시키고, 반대로 당량(EW)이 낮고 산화방지제가 존재하는 제2 이오노머 코팅층은 캐소드층을 마주하도록 위치시켰다.Among the prepared electrolyte membranes, the first ionomer coating layer having a high equivalent weight (EW) and having no antioxidant is positioned to face the anode layer, and conversely, the second ionomer coating layer having a low equivalent weight (EW) and an antioxidant exists in the cathode layer. Positioned to face each other.

실시예 2 내지 15Examples 2 to 15

실시예 1에서 제1 이오노머 당량(EW), 제2 이오노머 당량(EW) 및 산화방지제의 함량을 하기 표 1에 표시된 수치로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 마찬가지 방법으로 연료전지용 전해질막을 제조하였다.In Example 1, except for using the first ionomer equivalent weight (EW), the second ionomer equivalent weight (EW), and the contents of the antioxidants in numerical values shown in Table 1, an electrolyte membrane for a fuel cell was prepared in the same manner as in Example 1. Did.

이오노머 EW
(I)
[g/mol]
Ionomer EW
(I)
[g / mol]
이오노머 IEC
(i=1000/I)
[mmol/g]
Ionomer IEC
(i = 1000 / I)
[mmol / g]
제1,2 이오노머 코팅층의 IEC 차이값
(술폰산기 mmol 수 차이)
(C=i 2 -i 1 )
[mmol/g]
IEC difference values of the 1st and 2nd ionomer coating layer
(Difference in mmol number of sulfonic acid groups)
(C = i 2 -i 1 )
[mmol / g]
산화방지제 적정 함량
(D=C/4)
[mmol/g]
Optimum amount of antioxidant
(D = C / 4)
[mmol / g]
세륨계 산화방지제 양
(E=D×몰질량)
[mg/g-ionomer]
Cerium antioxidant amount
(E = D × molar mass)
[mg / g-ionomer]
제2이오노머
코팅층
(I2)
Second ionomer
Coating layer
(I 2 )
제1이오노머
코팅층
(I1)
First ionomer
Coating layer
(I 1 )
제2이오노머
코팅층
(i2)
Second ionomer
Coating layer
(i 2 )
제1 이오노머
코팅층
(i1)
1st ionomer
Coating layer
(i 1 )
실시예 1Example 1 600600 700700 1.671.67 1.431.43 0.238 0.238 0.060 0.060 8.33 8.33 실시예 2Example 2 800800 1.251.25 0.417 0.417 0.104 0.104 14.58 14.58 실시예 3Example 3 900900 1.111.11 0.556 0.556 0.139 0.139 19.44 19.44 실시예 4Example 4 10001000 1.001.00 0.667 0.667 0.167 0.167 23.33 23.33 실시예 5Example 5 11001100 0.910.91 0.758 0.758 0.189 0.189 26.52 26.52 실시예 6Example 6 700700 800800 1.431.43 1.251.25 0.179 0.179 0.045 0.045 6.25 6.25 실시예 7Example 7 900900 1.111.11 0.317 0.317 0.079 0.079 11.11 11.11 실시예 8Example 8 10001000 1.001.00 0.429 0.429 0.107 0.107 15.00 15.00 실시예 9Example 9 11001100 0.910.91 0.519 0.519 0.130 0.130 18.18 18.18 실시예 10Example 10 800800 900900 1.251.25 1.111.11 0.139 0.139 0.035 0.035 4.86 4.86 실시예 11Example 11 10001000 1.001.00 0.250 0.250 0.063 0.063 8.75 8.75 실시예 12Example 12 11001100 0.910.91 0.341 0.341 0.085 0.085 11.93 11.93 실시예 13Example 13 900900 10001000 1.111.11 1.001.00 0.111 0.111 0.028 0.028 3.89 3.89 실시예 14Example 14 11001100 0.910.91 0.202 0.202 0.051 0.051 7.07 7.07 실시예 15Example 15 10001000 11001100 1.001.00 0.910.91 0.091 0.091 0.023 0.023 3.18 3.18 * 세륨계 산화방지제로서 몰질량이 140mg/mmol인 세륨(Ce) 사용함* As cerium-based antioxidant, cerium (Ce) with a molar mass of 140 mg / mmol is used.

평가예Evaluation example

상기 표 1에서 각 실시예의 제1 및 제2 이오노머 당량(EW)과 계산된 산화방지제의 함량을 사용한 경우에 전해질막에서 가장 높은 수소 이온(즉, 프로톤) 전도도가 관찰되었고, 표 1에 기재된 산화방지제의 함량에서 멀어질수록 전해질막의 수소 이온 전도도가 떨어지는 것이 관찰되었다. 즉, 상기 표 1에서 제시된 수치의 제1 및 제2 이오노머 당량(EW)과 계산된 산화방지제의 함량을 사용하는 경우, 전해질막에서 제1 및 제2 이오노머 코팅층의 수소 이온 전도도가 거의 동일함을 알 수 있고, 이에 따라 전해질막의 저항값이 가장 낮음을 알 수 있다.In Table 1, when the first and second ionomer equivalents (EW) of each example and the calculated antioxidant content were used, the highest hydrogen ion (ie, proton) conductivity in the electrolyte membrane was observed, and the oxidation described in Table 1 It was observed that the farther from the content of the inhibitor, the lower the hydrogen ion conductivity of the electrolyte membrane. That is, when the first and second ionomer equivalents (EW) of the numerical values given in Table 1 and the calculated antioxidant content are used, the hydrogen ion conductivity of the first and second ionomer coating layers in the electrolyte membrane is almost the same. It can be seen that the resistance value of the electrolyte membrane is the lowest.

이를 통해, 캐소드층 가까이에 배치되는 제2 이오노머 코팅층에 산화방지제가 위치하여 화학적 열화가 방지되면서도, 산화방지제와 제2 이오노머의 술폰산기(SO3 -)가 결합함에도 불구하고, 애노드층에 가까이 배치되는 제1 이오노머 코팅층보다 이오노머 당량(EW)이 낮게 형성되므로(즉, 제2 이오노머 코팅층의 술폰산기(SO3 -)가 보다 많으므로), 결과적으로 제1 및 제2 이오노머 코팅층에서 수소 이온의 이동성(즉, 프로톤 전도도)이 동등 또는 유사하게 유지됨을 알 수 있었다. 따라서, 운전 시 산화방지제가 캐소드층(220) 방향으로 이동함에도 불구하고, 수소 이온 이동의 병목(bottle-neck)이 발생되지 않아, 전해질막(100)의 이온 저항 증가가 방지되는 효과가 있음을 알 수 있다.Through this, the second while being ionomer and an antioxidant where the coating chemical degradation prevention agents, antioxidants, and the sulfonic acid groups of the second ionomer (SO 3 -) that are placed close to the cathode layer despite the coupling, and disposed close to the anode layer the so one ionomer coating layer than low ionomer equivalent weight (EW) is (i.e., the second sulfonic acid group (sO 3 of the ionomer coating - since there will be times more)), as a result, the first and second mobility of the hydrogen ions in the ionomer coating layer It was found that (ie, proton conductivity) remained equal or similar. Therefore, despite the fact that the antioxidant moves in the direction of the cathode layer 220 during operation, a bottle-neck of hydrogen ion movement is not generated, thereby increasing the ion resistance of the electrolyte membrane 100. Able to know.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.In the above, although the preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, various modifications can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical idea or prospect of the present invention.

100: 전해질막 100': 종래 전해질막
105: 산화방지제 110: 제1 이오노머 코팅층
115: 다공성 지지체층 120: 제2 이오노머 코팅층
210: 애노드, 애노드층 220: 캐소드, 캐소드층
100: electrolyte membrane 100 ': conventional electrolyte membrane
105: antioxidant 110: first ionomer coating layer
115: porous support layer 120: second ionomer coating layer
210: anode, anode layer 220: cathode, cathode layer

Claims (20)

애노드층 및 상기 애노드층과 마주보는 캐소드층 사이에 배치되고, 제1 이오노머를 포함하는 제1 이오노머 코팅층;
상기 제1 이오노머 코팅층 및 상기 캐소드층 사이에 배치되고, 복수개의 공극이 형성된 다공성 지지체를 포함하는 다공성 지지체층; 및
상기 다공성 지지체층 및 상기 캐소드층 사이에 배치되고, 제2 이오노머 및 산화방지제를 포함하는 제2 이오노머 코팅층을 포함하고,
상기 제2 이오노머의 당량(Equivalent Weight)이 상기 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 낮은 연료전지용 전해질막.
A first ionomer coating layer disposed between the anode layer and the cathode layer and the cathode layer, the first ionomer coating layer including a first ionomer;
A porous support layer disposed between the first ionomer coating layer and the cathode layer and including a porous support having a plurality of voids; And
It is disposed between the porous support layer and the cathode layer, and includes a second ionomer coating layer comprising a second ionomer and an antioxidant,
The electrolyte membrane for a fuel cell in which the equivalent weight of the second ionomer is lower than the equivalent weight of the first ionomer (EW).
제 1항에 있어서,
상기 다공성 지지체층은, 상기 다공성 지지체에 상기 제1 이오노머가 함침(impregnation)되는 연료전지용 전해질막.
According to claim 1,
The porous support layer is an electrolyte membrane for a fuel cell in which the first ionomer is impregnated into the porous support.
제 1항에 있어서,
상기 제2 이오노머의 당량(EW)이 상기 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 100 내지 500 g/mol 낮은 연료전지용 전해질막.
According to claim 1,
The electrolyte membrane for a fuel cell in which the equivalent weight (EW) of the second ionomer is 100 to 500 g / mol lower than the equivalent weight (EW) of the first ionomer.
제 1항에 있어서,
상기 제1 이오노머의 당량(EW)은 700 내지 1100 g/mol인 연료전지용 전해질막.
According to claim 1,
The equivalent of the first ionomer (EW) is 700 to 1100 g / mol of electrolyte membrane for fuel cells.
제 1항에 있어서,
상기 제2 이오노머의 당량(EW)은 600 내지 1000 g/mol인 연료전지용 전해질막.
According to claim 1,
The equivalent of the second ionomer (EW) is an electrolyte membrane for a fuel cell of 600 to 1000 g / mol.
제 1항에 있어서,
상기 제1 이오노머 코팅층은 산화방지제를 포함하지 않는 연료전지용 전해질막.
According to claim 1,
The first ionomer coating layer is an electrolyte membrane for a fuel cell that does not contain an antioxidant.
제 1항에 있어서,
상기 제2 이오노머 1g에 대하여 상기 산화방지제의 함량은 0.023 내지 0.189 mmol인 연료전지용 전해질막.
According to claim 1,
The electrolyte membrane for a fuel cell having a content of the antioxidant of 0.023 to 0.189 mmol per 1 g of the second ionomer.
제 1항에 있어서,
상기 제1 이오노머, 상기 제2 이오노머 및 상기 산화방지제는 하기 식 1의 관계를 가지는 연료전지용 전해질막:
[식 1]
Figure pat00007

(상기 식에서, A는 제2 이오노머 1g 당 산화방지제의 함량(mol)이고, I1은 제1 이오노머의 당량(g/mol)이고, I2는 제2 이오노머의 당량(g/mol)이고, n은 1 이상의 양수임).
According to claim 1,
The first ionomer, the second ionomer, and the antioxidant electrolyte membrane for a fuel cell having a relationship of the following formula 1:
[Equation 1]
Figure pat00007

(In the above formula, A is the content of the antioxidant per 1 g of the second ionomer (mol), I 1 is the equivalent of the first ionomer (g / mol), I 2 is the equivalent of the second ionomer (g / mol), n is a positive number greater than or equal to 1).
제 1항에 있어서,
상기 제1 이오노머, 상기 제2 이오노머 및 상기 산화방지제는 하기 식 2의 관계를 가지는 연료전지용 전해질막:
[식 2]
Figure pat00008

(상기 식에서, A는 제2 이오노머 1g 당 산화방지제의 함량(mol)이고, I1은 제1 이오노머의 당량(g/mol)이고, I2는 제2 이오노머의 당량(g/mol)임).
According to claim 1,
The first ionomer, the second ionomer and the antioxidant electrolyte membrane for a fuel cell having a relationship of the following formula (2):
[Equation 2]
Figure pat00008

(In the above formula, A is the content of the antioxidant per 1 g of the second ionomer (mol), I 1 is the equivalent of the first ionomer (g / mol), and I 2 is the equivalent of the second ionomer (g / mol)) .
제1 이오노머를 포함하는 분산액을 제조하여 제1 이오노머 코팅층을 형성하는 단계;
상기 제1 이오노머 코팅층 위에 다공성 지지체를 적층하여 다공성 지지체층을 형성하는 단계; 및
제2 이오노머 및 산화방지제를 포함하는 분산액을 제조하여 상기 다공성 지지체층 위에 적층함으로써 제2 이오노머 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제2 이오노머의 당량(EW)이 상기 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 낮은 연료전지용 전해질막의 제조방법.
Forming a first ionomer coating layer by preparing a dispersion containing the first ionomer;
Forming a porous support layer by laminating a porous support on the first ionomer coating layer; And
Comprising the steps of forming a second ionomer coating layer by preparing a dispersion containing a second ionomer and antioxidant and stacking on the porous support layer,
A method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell, wherein the equivalent of the second ionomer (EW) is lower than the equivalent of the first ionomer (EW).
제 10항에 있어서,
상기 제2 이오노머 코팅층을 형성하는 단계 후에,
상기 제1 이오노머 코팅층은 애노드층에 가깝게 배치하고, 상기 제2 이오노머 코팅층은 캐소드층에 가깝게 배치하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 전해질막의 제조방법.
The method of claim 10,
After the step of forming the second ionomer coating layer,
The first ionomer coating layer is disposed close to the anode layer, and the second ionomer coating layer is disposed closer to the cathode layer.
제 10항에 있어서,
상기 제2 이오노머 코팅층을 형성하는 단계 후에,
상기 전해질막을 열처리하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 전해질막의 제조방법.
The method of claim 10,
After the step of forming the second ionomer coating layer,
Method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell further comprising the step of heat-treating the electrolyte membrane.
제 10항에 있어서,
상기 다공성 지지체층을 형성하는 단계는,
상기 다공성 지지체에 상기 제1 이오노머를 함침되도록 하는 연료전지용 전해질막의 제조방법.
The method of claim 10,
The step of forming the porous support layer,
A method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell to impregnate the porous support with the first ionomer.
제 10항에 있어서,
상기 제1 이오노머 코팅층 및 상기 제2 이오노머 코팅층은,
스핀 코팅, 바 코팅, 슬롯 다이 코팅 중에서 선택되는 방법으로 형성되는 연료전지용 전해질막의 제조방법.
The method of claim 10,
The first ionomer coating layer and the second ionomer coating layer,
Method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell formed by a method selected from spin coating, bar coating, and slot die coating.
제 10항에 있어서,
상기 제2 이오노머의 당량(EW)이 상기 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 100 내지 500 g/mol 낮은 연료전지용 전해질막의 제조방법.
The method of claim 10,
A method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell in which the equivalent weight (EW) of the second ionomer is 100 to 500 g / mol lower than the equivalent weight (EW) of the first ionomer.
제 10항에 있어서,
상기 제1 이오노머, 상기 제2 이오노머 및 상기 산화방지제는 하기 식 1의 관계를 가지는 연료전지용 전해질막의 제조방법:
[식 1]
Figure pat00009

(상기 식에서, A는 제2 이오노머 1g 당 산화방지제의 함량(mol)이고, I1은 제1 이오노머의 당량(g/mol)이고, I2는 제2 이오노머의 당량(g/mol)이고, n은 1 이상의 양수임).
The method of claim 10,
The first ionomer, the second ionomer and the antioxidant is a method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell having the relationship of the following formula (1):
[Equation 1]
Figure pat00009

(In the above formula, A is the content of the antioxidant per 1 g of the second ionomer (mol), I 1 is the equivalent of the first ionomer (g / mol), I 2 is the equivalent of the second ionomer (g / mol), n is a positive number greater than or equal to 1).
제 10항에 있어서,
상기 제1 이오노머, 상기 제2 이오노머 및 상기 산화방지제는 하기 식 2의 관계를 가지는 연료전지용 전해질막의 제조방법:
[식 2]
Figure pat00010

(상기 식에서, A는 제2 이오노머 1g 당 산화방지제의 함량(mol)이고, I1은 제1 이오노머의 당량(g/mol)이고, I2는 제2 이오노머의 당량(g/mol)임).
The method of claim 10,
The first ionomer, the second ionomer and the antioxidant is a method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell having a relationship of the following formula (2):
[Equation 2]
Figure pat00010

(In the above formula, A is the content of the antioxidant per 1 g of the second ionomer (mol), I 1 is the equivalent of the first ionomer (g / mol), and I 2 is the equivalent of the second ionomer (g / mol)) .
제 10항에 있어서,
상기 제2 이오노머의 당량(EW)이 상기 제1 이오노머의 당량(EW) 보다 100 내지 500 g/mol 낮은 연료전지용 전해질막의 제조방법.
The method of claim 10,
A method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell in which the equivalent weight (EW) of the second ionomer is 100 to 500 g / mol lower than the equivalent weight (EW) of the first ionomer.
제 10항에 있어서,
상기 제1 이오노머 코팅층을 형성하는 단계는,
상기 제1 이오노머의 당량(EW)이 700 내지 1100 g/mol인 분산액을 제조하는 단계를 포함하는 연료전지용 전해질막의 제조방법.
The method of claim 10,
Forming the first ionomer coating layer,
A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell, comprising the step of preparing a dispersion in which the equivalent (EW) of the first ionomer is 700 to 1100 g / mol.
제 10항에 있어서,
상기 제2 이오노머 및 산화방지제를 포함하는 분산액의 제조는,
상기 제2 이오노머의 당량(EW)이 600 내지 1000 g/mol인 분산액을 제조한 후, 상기 제2 이오노머 1g에 대하여 상기 산화방지제 0.023 내지 0.189 mmol을 첨가하여 재분산시키는 단계를 포함하는 연료전지용 전해질막의 제조방법.
The method of claim 10,
Preparation of the dispersion containing the second ionomer and antioxidant,
After preparing a dispersion in which the equivalent of the second ionomer (EW) is 600 to 1000 g / mol, adding the antioxidant to 0.023 to 0.189 mmol to 1 g of the second ionomer and redispersing the electrolyte for a fuel cell, Method of manufacturing a membrane.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210075032A1 (en) * 2019-09-06 2021-03-11 Hyundai Motor Company Electrolyte membrane for fuel cell having improved ion channel continuity and method of manufacturing same

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