KR20210052664A - 연료전지용 전해질막 및 이의 제조방법 - Google Patents

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김병수
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홍웅표
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Abstract

본 발명은 화학적 내구성이 향상된 연료전지용 전해질막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 상기 제조방법은 고분자 필름을 준비하는 단계, 상기 고분자 필름의 일면 또는 양면에 촉매 금속을 증착하는 단계, 상기 고분자 필름을 1축 또는 2축으로 연신하여 촉매 금속이 증착된 다공성의 강화층을 제조하는 단계 및 상기 강화층에 이오노머를 함침하여 전해질막을 얻는 단계를 포함한다.

Description

연료전지용 전해질막 및 이의 제조방법{AN ELECTROLYTE MEMBRANE FOR A FUEL CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 화학적 내구성이 향상된 연료전지용 전해질막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)에서 전해질막은 수소 이온을 전도하는 역할을 한다. 상기 전해질막은 수소 이온을 전달하기 위해 이온 교환 물질을 이용하여 제조한다. 이온 교환 물질은 수분을 함습하여 애노드에서 생성된 수소 이온을 선택적으로 캐소드로 이동시킨다.
상기 전해질막의 내구가 감소하는 원인으로는 수소의 크로스 오버로 인한 열화 현상이 있다. 수소의 크로스 오버에 의해 전해질막과 캐소드의 계면 등에서 상기 수소와 산소가 만나 과산화수소를 생성한다. 상기 과산화수소는 히드록실(Hydroxyl) 라디칼(·OH), 히드로페록실(Hydroperoxyl) 라디칼(·OOH) 등으로 분해되어 전해질막을 열화시킨다.
최근 원가 절감 및 전해질막의 이온 저항 감소를 목적으로 전해질막의 두께는 얇아지는 추세이다. 전해질막이 얇아질수록 수소의 크로스 오버량은 많아진다. 이로 인해 전해질막의 수명은 계속해서 줄어들고 있다.
위와 같은 문제를 해결하기 위하여 전해질막의 이온 교환층에 소량의 촉매를 첨가하여 라디칼의 생성을 방지하는 기술이 제안되었다. 그러나 위와 같이 이온 교환층에 촉매를 첨가하는 경우 전해질막의 절연성이 깨지기 쉽고, 촉매의 첨가량이 많아지는 등의 문제가 있다.
한국등록특허 제10-1669236호
본 발명은 수소 및/또는 산소가 투과하는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 전해질막 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 종래의 이온 교환층에 촉매를 첨가한 전해질막에 비해 보다 효율적으로 산소 가스를 제거할 수 있는 연료전지용 전해질막 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 종래의 이온 교환층에 촉매를 첨가한 전해질막과 동등 또는 향상된 기능을 발휘하면서도 그에 비해 촉매 금속의 로딩량이 현저히 감소한 연료전지용 전해질막 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전해질막의 제조방법은 고분자 필름을 준비하는 단계; 상기 고분자 필름의 일면 또는 양면에 촉매 금속을 증착하여 강화층을 얻는 단계; 및 상기 강화층에 이오노머를 함침하여 전해질막을 얻는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제조방법은 상기 전해질막을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 고분자 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 촉매 금속은 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것일 수 있다.
상기 촉매 금속은 입자 형태이고, 입자 직경이 1㎚ 내지 50㎚인 것일 수 있다.
상기 제조방법은 상기 고분자 필름에 스퍼터링(Sputtering) 또는 원자층 증착(Atomic layer deposition, ALD)으로 상기 촉매 금속을 증착하는 것일 수 있다.
상기 제조방법은 촉매 금속을 증착하기 전 및 후 중 적어도 어느 한 시점에 상기 고분자 필름을 연신하여 강화층을 얻는 것일 수 있다.
상기 강화층은 표면부 및 기공부를 포함하는 다공성의 막이고, 상기 촉매 금속은 상기 강화층의 표면부에만 증착되는 것일 수 있다.
상기 강화층에 증착된 촉매 금속의 로딩량은 0.001mg/cm2 내지 0.1mg/cm2 일 수 있다.
상기 강화층은 두께가 5㎛ 내지 15㎛이고, 기공률이 70% 내지 90%인 것일 수 있다.
상기 강화층은 ASTM D882에 의거한 최대 인장 강도가 5MPa 내지 110MPa 인 것일 수 있다.
상기 강화층에 이오노머를 함침하여 전해질막을 얻는 단계는 이형지에 이오노머를 도포하는 단계; 상기 이오노머상에 상기 강화층을 제공하여 상기 강화층의 일면으로 이오노머가 함침되도록 하는 단계; 및 상기 강화층의 타면에 이오노머를 함침하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전해질막은 이오노머가 함침되어 있고, 일면 또는 양면에 촉매 금속이 증착되어 있는 강화층; 및 상기 강화층의 양면에 형성된 이온 교환층을 포함할 수 있다.
상기 촉매 금속은 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것일 수 있다.
상기 강화층은 1축 또는 2축으로 연신되고, 다공성인 연신된 폴리테트라플루오로에틸렌(expanded-Polytetrafluoroethylene, e-PTFE)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 촉매 금속은 입자 형태이고, 입자 직경이 1㎚ 내지 50㎚인 것일 수 있다.
상기 강화층은 표면부 및 기공부를 포함하는 다공성의 막이고, 상기 촉매 금속은 상기 강화층의 표면부에만 증착되는 것일 수 있다.
상기 강화층에 증착된 촉매 금속의 로딩량은 0.001mg/cm2 내지 0.1mg/cm2일 수 있다.
상기 강화층은 두께가 5㎛ 내지 15㎛이고, 기공률이 70% 내지 90%인 것일 수 있다.
상기 강화층은 ASTM D882에 의거한 최대 인장 강도가 5MPa 내지 110MPa 인 것일 수 있다.
본 발명에 따르면 전해질막을 투과하는 기체를 효과적으로 제거할 수 있는바, 연료전지의 개로 전압(Open circuit voltage, OCV)을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면 전해질막 내에서 라디칼이 생성되는 것을 억제할 수 있는바, 화학적 내구성이 높아 수명이 긴 연료전지를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면 종래에 비해 전해질막에 첨가되는 촉매 금속의 로딩량을 현저히 줄일 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 전해질막의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 2a는 촉매 금속을 증착한 고분자 필름을 도시한 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 고분자 필름을 1축 연신하여 얻은 촉매 금속이 증착된 다공성의 강화층을 도시한 평면도이다.
도 2c는 도 2a의 고분자 필름을 2축 연신하여 얻은 촉매 금속이 증착된 다공성의 강화층을 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 강화층의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 전해질막을 개략적으로 도시한 단면도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 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.
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.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 전해질막의 제조방법을 도시한 흐름도이다. 이를 참조하면, 상기 제조방법은 고분자 필름을 준비하는 단계(S10), 상기 고분자 필름의 일면 또는 양면에 촉매 금속을 증착하여 강화층을 얻는 단계(S20), 및 상기 강화층에 이오노머를 함침하여 전해질막을 얻는 단계(S30)를 포함한다. 상기 제조방법은 상기 전해질막을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 고분자 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 고분자 필름의 형상, 크기 및 두께는 특별히 제한되지 않으며, 목적하는 바에 따라 적절한 범위 내의 것을 사용할 수 있다.
이후, 상기 고분자 필름의 일면 또는 양면에 촉매 금속을 증착한다(S20).
상기 촉매 금속은 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다. 상기 촉매 금속은 탄소나노튜브(Carbon nanotube) 등의 지지체에 담지된 것이 아니고, 촉매 금속 그 자체를 의미한다. 상기 촉매 금속을 지지체 등에 담지한 뒤, 고분자 필름상에 제공하는 경우 그 입자 크기가 과도하게 커지기 때문에 전해질막 내에서 이온의 이동 등에 장애물이 될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 상기 촉매 금속을 그 자체의 입자로 상기 고분자 필름상에 제공하여 위와 같은 문제가 생기지 않도록 하였다. 구체적으로 상기 촉매 금속은 입자 형태이고, 입자 직경이 1㎚ 내지 50㎚인 것일 수 있다.
상기 촉매 금속은 상기 고분자 필름의 일면 또는 양면에 스퍼터링(Sputtering) 또는 원자층 증착(Atomic layer deposition, ALD)의 방법으로 증착될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 촉매 금속을 입자 형태로 상기 고분자 필름상에 제공할 수 있다면 다른 방법도 제한 없이 사용할 수 있다.
도 2a는 어느 한 일면에 상기 촉매 금속(13)을 증착한 고분자 필름(11)을 도시한 평면도이다. 도 2a는 상기 촉매 금속(13)을 상기 고분자 필름(11)의 일면에만 증착한 경우를 도시한 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 필요에 따라 상기 고분자 필름(11)의 양면에 상기 촉매 금속(13)을 증착할 수도 있다.
상기 고분자 필름에 촉매 금속을 증착하기 전 및 후 중 적어도 어느 한 시점에 상기 고분자 필름을 연신할 수 있다. 도 2b는 고분자 필름에 촉매 금속을 증착한 후 고분자 필름을 1축 연신하여 얻은 촉매 금속(13)이 증착된 다공성의 강화층(10)을 도시한 평면도이고, 도 2c는 2축 연신하여 얻은 촉매 금속(13)이 증착된 다공성의 강화층(10)을 도시한 평면도이다.
위와 같이 상기 고분자 필름(11)을 1축 또는 2축 연신함으로써, 다공성의 강화층(10)을 얻을 수 있다. 상기 강화층(10)은 연신된 폴리테트라플루오로에틸렌(expanded-polytetrafluoroethylene, e-PTFE)을 포함할 수 있다.
도 3은 상기 강화층(10)의 단면을 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 강화층(10)은 표면부(20) 및 연신에 의해 형성되는 기공부(30)를 포함한다. 상기 촉매 금속(13)은 상기 표면부(20)에만 증착된다. 상기 기공부(30)에까지 촉매 금속(13)이 제공되면 상기 촉매 금속(13)의 로딩량이 불필요하게 많아질 수 있다. 또한 추후 상기 기공부(30)에 함침되는 이오노머에 의해 전해질막 내에서 이온이 이동하게 되므로 상기 이온의 전도도를 저해할 수도 있다.
상기 강화층(10)에 증착된 촉매 금속(13)의 로딩량은 0.001mg/cm2 내지 0.1mg/cm2일 수 있다. 본 명세서에서 상기 촉매 금속(13)의 로딩량은 고분자 필름(11)을 기준으로 산정한 것이 아니라, 상기 고분자 필름(11)을 연신하여 얻은 강화층(10)을 기준으로 산정한 것이다.
상기 강화층(10)의 두께, 기공률 및 최대 인장 강도는 특별히 제한되지 않으며, 목적하는 바에 따라 적절한 범위 내로 조절하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 강화층(10)의 두께는 5㎛ 내지 15㎛일 수 있고, 기공률은 70% 내지 90%일 수 있으며, ASTM D882에 의거한 최대 인장 강도는 5MPa 내지 110MPa일 수 있다.
상기 강화층(10)에 이오노머를 함침하여 전해질막을 얻을 수 있다(S30).
상기 이오노머는 본 발명이 속한 기술 분야에서 알려진 통상적인 이오노머를 제한 없이 사용할 수 있으며, 일 예로 나피온(Nafion)과 같은 퍼플루오술폰산(Perfluorosulfonic acid, PFSA) 고분자를 사용할 수 있다.
상기 이오노머를 함침하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 이형지에 상기 이오노머를 도포하는 단계, 도포된 상기 이오노머상에 상기 강화층(10)을 제공하여 상기 강화층의 일면으로 이오노머가 함침되도록 하는 단계 및 상기 강화층(10)의 타면에 이오노머를 함침하는 단계를 포함하는 방법으로 수행할 수 있다.
이후 상기 강화층(10)에 이오노머를 함침시켜 얻은 전해질막을 건조하고, 열처리할 수 있다.
상기 전해질막의 건조 조건 및 열처리 조건은 특별히 제한되지 않고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적으로 수행되는 조건에 맞춰서 진행할 수 있다. 예를 들어 건조는 25℃ 내지 100℃에서 진행할 수 있고, 열처리는 140℃ 내지 200℃에서 진행할 수 있다.
도 4는 전술한 방법으로 제조한 전해질막(1)을 개략적으로 도시한 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 전해질막(1)은 이오노머가 함침되어 있고 그 일면 또는 양면에 촉매 금속(13)이 증착된 강화층(10) 및 상기 강화층(10)의 양면에 형성된 이온 교환층(40)을 포함할 수 있다.
상기 이온 교환층(40)은 전술한 제조방법에서 상기 강화층(10)에 함침시킨 이오노머에 의해 형성되는 층으로써, 그 두께는 특별히 제한되지 않는다.
상기 전해질막(1)에 있어서, 다공성의 강화층(10)은 그 기공 사이로 이오노머가 함침되어 있다. 연료전지의 작동시 산소 가스가 캐소드에서 애노드로 투과되거나 수소 가스가 애노드에서 캐소드로 이동하는 경우가 생길 수 있다. 이와 같은 경우 상기 가스들은 상기 강화층(10)의 기공을 통과해야 한다. 본 발명은 상기 이온 교환층(40)이 아니라 상기 가스들의 병목이라 할 수 있는 강화층(10)의 표면상에 촉매 금속(13)을 첨가한 것이므로 위 가스들의 이동을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한 상기 이온 교환층(40)에 촉매 금속(13)을 첨가하면 상기 이온 교환층(40)에 포함된 이오노머의 산소 원소가 상기 촉매 금속(13)과 상호 작용을 일으켜 상기 촉매 금속(23)의 활성을 떨어뜨릴 수 있다. 반면에 상기 강화층(10)은 탄소(C)-불소(F) 결합으로만 이루어져 있기 때문에 상기 촉매 금속(13)과 반응하지 않는다. 따라서 본 발명에 따르면 이온 교환층(40)에 촉매 금속(13)을 첨가하는 경우에 비해 더 효율적으로 산소 가스를 제거할 수 있다.
실시예
고분자 필름인 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)상에 촉매 금속인 백금(Pt)을 스퍼터링 방법으로 증착하였다. 백금을 증착한 상기 고분자 필름을 2축 연신하여 강화층을 제조하였다. 이 때, 상기 백금의 로딩량은 약 0.01mg/cm2였다.
이형지 위에 PFSA계열 이오노머를 일정량 도포하고, 도포한 이오노머상에 상기 강화층을 투입하여 상기 강화층의 일면으로 이오노머를 함침시켰다. 상기 강화층의 타면에 동일한 이오노머를 도포하여 상기 강화층의 타면으로 이오노머를 함침시켰다.
위와 같은 방법으로 얻은 전해질막을 약 80℃로 건조한 뒤, 약 160℃로 열처리하였다.
비교예
촉매 금속인 백금(Pt)을 증착하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 소재 및 방법으로 전해질막을 제조하였다.
실험예
상기 실시예 및 비교예에 따른 전해질막상에 한 쌍의 전극을 형성하여 막-전극 접합체를 제조한 뒤, 각 막-전극 접합체의 개로 전압(Open-circuit voltage, OCV)을 측정하였다. 그 결과는 하기 표1과 같다.
구분 OCV [V]
비교예 0.990
실시예 1.022
이를 참조하면, 상기 실시예에 따른 전해질막을 사용하는 경우 막-전극 접합체의 OCV를 약 5% 이상 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
이상으로 본 발명의 실험예 및 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실험예 및 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1: 전해질막
10: 강화층 11: 고분자 필름 13: 촉매 금속
20: 표면부
30: 기공부
40: 이온 교환층

Claims (20)

  1. 고분자 필름을 준비하는 단계;
    상기 고분자 필름의 일면 또는 양면에 촉매 금속을 증착하여 강화층을 얻는 단계; 및
    상기 강화층에 이오노머를 함침하여 전해질막을 얻는 단계;를 포함하는 연료전지용 전해질막의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해질막을 건조하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 전해질막의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 것인 연료전지용 전해질막의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것인 연료전지용 전해질막의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 입자 형태이고,
    입자 직경이 1㎚ 내지 50㎚인 것인 연료전지용 전해질막의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 필름에 스퍼터링(Sputtering) 또는 원자층 증착(Atomic layer deposition, ALD)으로 상기 촉매 금속을 증착하는 것인 연료전지용 전해질막의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    촉매 금속을 증착하기 전 및 후 중 적어도 어느 한 시점에 상기 고분자 필름을 연신하여 강화층을 얻는 것인 연료전지용 전해질막의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 강화층은 표면부 및 기공부를 포함하는 다공성의 막이고,
    상기 촉매 금속은 상기 강화층의 표면부에만 증착되는 것인 연료전지용 전해질막의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 강화층에 증착된 촉매 금속의 로딩량은 0.001mg/cm2 내지 0.1mg/cm2인 것인 연료전지용 전해질막의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 강화층은 두께가 5㎛ 내지 15㎛이고, 기공률이 70% 내지 90%인 것인 연료전지용 전해질막의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 강화층은 ASTM D882에 의거한 최대 인장 강도가 5MPa 내지 110MPa 인 것인 연료전지용 전해질막의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 강화층에 이오노머를 함침하여 전해질막을 얻는 단계는
    이형지에 이오노머를 도포하는 단계;
    상기 이오노머 상에 상기 강화층을 제공하여 상기 강화층의 일면으로 이오노머가 함침되도록 하는 단계; 및
    상기 강화층의 타면에 이오노머를 함침하는 단계를 포함하는 것인 연료전지용 전해질막의 제조방법.
  13. 이오노머가 함침되어 있고, 일면 또는 양면에 촉매 금속이 증착되어 있는 강화층; 및
    상기 강화층의 양면에 형성된 이온 교환층을 포함하는 연료전지용 전해질막.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것인 연료전지용 전해질막.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 강화층은 1축 또는 2축으로 연신되고, 다공성인 연신된 폴리테트라플루오로에틸렌(expanded-Polytetrafluoroethylene, e-PTFE)을 포함하는 것인 연료전지용 전해질막.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 입자 형태이고,
    입자 직경이 1㎚ 내지 50㎚인 것인 연료전지용 전해질막.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 강화층은 표면부 및 기공부를 포함하는 다공성의 막이고,
    상기 촉매 금속은 상기 강화층의 표면부에만 증착되는 것인 연료전지용 전해질막.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 강화층에 증착된 촉매 금속의 로딩량은 0.001mg/cm2 내지 0.1mg/cm2인 것인 연료전지용 전해질막.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 강화층은 두께가 5㎛ 내지 15㎛이고,
    기공률이 70% 내지 90%인 것인 연료전지용 전해질막.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 강화층은 ASTM D882에 의거한 최대 인장 강도가 5MPa 내지 110MPa 인 것인 연료전지용 전해질막.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5342494A (en) 1993-03-05 1994-08-30 United Technologies Corporation High purity hydrogen and oxygen production and apparatus therefor
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101669236B1 (ko) 2005-09-26 2016-10-25 더블유.엘. 고어 앤드 어소시에이트스, 인코포레이티드 고체 고분자 전해질 및 그의 제조 방법

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