KR20230034881A - Radical scavenger, method for manufacturing the same, and membrane-electrode assembly comprising the same - Google Patents

Radical scavenger, method for manufacturing the same, and membrane-electrode assembly comprising the same Download PDF

Info

Publication number
KR20230034881A
KR20230034881A KR1020220097907A KR20220097907A KR20230034881A KR 20230034881 A KR20230034881 A KR 20230034881A KR 1020220097907 A KR1020220097907 A KR 1020220097907A KR 20220097907 A KR20220097907 A KR 20220097907A KR 20230034881 A KR20230034881 A KR 20230034881A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
radical scavenger
fluorine
particles
paragraph
membrane
Prior art date
Application number
KR1020220097907A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
오창훈
박중화
이혜송
Original Assignee
코오롱인더스트리 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 코오롱인더스트리 주식회사 filed Critical 코오롱인더스트리 주식회사
Publication of KR20230034881A publication Critical patent/KR20230034881A/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1046Mixtures of at least one polymer and at least one additive
    • H01M8/1051Non-ion-conducting additives, e.g. stabilisers, SiO2 or ZrO2
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1039Polymeric electrolyte materials halogenated, e.g. sulfonated polyvinylidene fluorides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

The present invention relates to a radical scavenger including particles capable of trapping peroxides or radicals and a fluorine-based polymer introduced to at least a part of the outer surface and inside of the particles, a method for manufacturing the same, and a membrane-electrode assembly including the same. The present invention can improve dispersibility by preventing the aggregation of the radical scavenger itself.

Description

라디칼 스캐빈저, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 막-전극 접합체 {Radical scavenger, method for manufacturing the same, and membrane-electrode assembly comprising the same}Radical scavenger, method for manufacturing the same, and membrane-electrode assembly including the same

본 발명은 라디칼 스캐빈저, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 막-전극 접합체에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 연료전지 구동 과정에서 라디칼 스캐빈저의 용출 및 입자간 응집을 방지하여 분산성을 높임으로써 연료전지의 성능을 장기간 유지시키고, 그 수명을 향상시킬 수 있는 라디칼 스캐빈저, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 막-전극 접합체에 관한 것이다.The present invention relates to a radical scavenger, a method for manufacturing the same, and a membrane-electrode assembly including the same, and more specifically, to prevent elution of the radical scavenger and aggregation between particles during a fuel cell driving process to increase dispersibility It relates to a radical scavenger capable of maintaining the performance of a fuel cell for a long period of time and improving its lifespan, a manufacturing method thereof, and a membrane-electrode assembly including the same.

연료전지는 메탄올, 에탄올, 천연 기체와 같은 탄화수소 계열의 연료물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 산화/환원반응과 같은 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템을 구비한 전지로서, 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인해 화석 에너지를 대체할 수 있는 차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있다.A fuel cell is a battery equipped with a power generation system that directly converts chemical reaction energy such as oxidation/reduction reaction of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based fuel materials such as methanol, ethanol, and natural gas into electrical energy. Due to its efficiency and eco-friendly characteristics with low pollutant emissions, it is attracting attention as a next-generation clean energy source that can replace fossil energy.

이러한 연료전지는 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4 내지 10 배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목 받고 있다.Such a fuel cell has the advantage of being able to produce a wide range of outputs in a stack configuration by stacking unit cells, and it is attracting attention as a small and mobile portable power source because it shows an energy density 4 to 10 times higher than that of a small lithium battery. there is.

연료전지에서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly, MEA)와 세퍼레이터(separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가지며, 막-전극 어셈블리는 일반적으로 전해질 막을 사이에 두고 그 양쪽에 산화극(Anode, 또는, 연료극)과 환원극(Cathode, 또는 공기극)이 각각 형성된 구조를 이룬다.A stack that actually generates electricity in a fuel cell is a stack of several to dozens of unit cells composed of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). The membrane-electrode assembly generally has a structure in which an anode (or fuel electrode) and a cathode (cathode, or air electrode) are formed on both sides of the electrolyte membrane.

연료전지는 전해질의 상태 및 종류에 따라 알칼리 전해질 연료전지, 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등으로 구분될 수 있는데, 그 중에 고분자 전해질 연료전지는 100 ℃ 미만의 낮은 작동온도, 빠른 시동과 응답특성 및 우수한 내구성 등의 장점으로 인하여 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다.Fuel cells can be classified into alkaline electrolyte fuel cells and polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) depending on the state and type of electrolyte. Among them, polymer electrolyte fuel cells have a low operating temperature of less than 100 ℃ Due to its advantages such as fast start-up, response characteristics and excellent durability, it is in the limelight as a portable, vehicle and home power supply.

고분자 전해질 연료전지의 대표적인 예로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 액상의 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등을 들 수 있다.Representative examples of polymer electrolyte fuel cells include a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) that uses hydrogen gas as fuel, and a Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) that uses liquid methanol as fuel. etc. can be mentioned.

상기 고분자 전해질 연료전지에서 일어나는 반응을 요약하면, 우선, 수소가스와 같은 연료가 산화극에 공급되면, 산화극에서는 수소의 산화반응에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 생성된 수소 이온은 이온 교환막을 통해 환원극으로 전달되고, 생성된 전자는 외부회로를 통해 환원극에 전달된다. 환원극에서는 산소가 공급되고, 산소가 수소이온 및 전자와 결합하여 산소의 환원반응에 의해 물이 생성된다.Summarizing the reaction occurring in the polymer electrolyte fuel cell, first, when a fuel such as hydrogen gas is supplied to the anode, hydrogen ions (H + ) and electrons (e - ) are generated by the oxidation reaction of hydrogen at the anode. . The generated hydrogen ions are transferred to the cathode through the ion exchange membrane, and the generated electrons are transferred to the cathode through the external circuit. At the cathode, oxygen is supplied, and oxygen is combined with hydrogen ions and electrons to produce water by a reduction reaction of oxygen.

한편, 고분자 전해질 연료전지의 상업화를 실현하기 위해서는 아직까지 해결해야 할 많은 기술적 장벽들이 존재하고 있고, 필수적인 개선 요인은 고성능, 장수명, 저가격화의 실현이다. 이에 가장 많은 영향을 미치는 구성 요소가 막-전극 어셈블리이며, 그 중에서도 이온 교환막은 MEA의 성능과 가격에 가장 큰 영향을 미치는 핵심 요소 중 하나이다.On the other hand, in order to realize the commercialization of polymer electrolyte fuel cells, there are still many technical barriers to be solved, and essential improvement factors are realization of high performance, long lifespan, and low price. The component that has the most influence on this is the membrane-electrode assembly, and among them, the ion exchange membrane is one of the key elements that have the greatest influence on the performance and price of the MEA.

상기 고분자 전해질 연료전지의 운전에 필요한 이온 교환막의 요구 조건으로는 높은 수소 이온 전도도, 화학적 안정성, 낮은 연료 투과성, 높은 기계적 강도, 낮은 함수율, 우수한 치수 안정성 등이 있다. 종래의 이온 교환막은 특정의 온도 및 상대 습도 환경, 특히 고온/저가습 조건에서 정상적으로 고성능을 발현하기 어려운 경향이 있다. 이로 인해 종래의 이온 교환막이 적용된 고분자 전해질 연료전지는 그 사용 범위의 제한을 받게 된다.Requirements for the ion exchange membrane required for the operation of the polymer electrolyte fuel cell include high hydrogen ion conductivity, chemical stability, low fuel permeability, high mechanical strength, low moisture content, and excellent dimensional stability. Conventional ion exchange membranes tend to be difficult to normally exhibit high performance under specific temperature and relative humidity conditions, particularly under high temperature/low humidity conditions. Due to this, the polymer electrolyte fuel cell to which the conventional ion exchange membrane is applied is limited in its use range.

현재 가장 우수한 성능을 나타내는 것으로 알려져 있는 나피온과 같은 불소계 이온 교환막은 제조 공정의 복잡함, 제조 기술 상의 어려움 및 높은 가격 등으로 인한 한계점을 가지고 있으며, 이에 대한 대안으로서 개발된 탄화수소계 이온 교환막은 고온/저가습 조건에서의 낮은 수소 이온 전도도, 불균일한 계면 특성 및 상대적으로 취약한 내구성 등의 문제점으로 인해 아직까지 극복해야 할 기술적 장벽들이 많이 남아 있다.Fluorine-based ion exchange membranes such as Nafion, which are currently known to exhibit the best performance, have limitations due to complexity of manufacturing process, difficulty in manufacturing technology, and high price. There are still many technical barriers to be overcome due to problems such as low hydrogen ion conductivity under low humidity conditions, non-uniform interfacial properties, and relatively poor durability.

또한, 이러한 이온 교환막은 높은 이온 전도도와 우수한 내구성을 동시에 필요로 한다. 특히, 연료전지의 장기 구동 시, 이온 교환막의 취약한 화학적 내구성으로 인해 전해질 막의 두께 감소 및 핀홀(pin-hole) 생성으로 연료전지의 열화가 발생한다. In addition, such an ion exchange membrane requires high ion conductivity and excellent durability at the same time. In particular, when the fuel cell is operated for a long period of time, deterioration of the fuel cell occurs due to decrease in the thickness of the electrolyte membrane and formation of pin-holes due to the weak chemical durability of the ion exchange membrane.

연료전지가 구동할 때 발생하는 라디칼이 상기 고분자 전해질막의 열화의 주요 원인으로 알려져 있다. 예를 들어, 환원극에서의 산소의 환원 반응 중에 과산화수소(H2O2)가 생성되며, 이 과산화수소로부터 과산화수소 라디칼(hydroperoxyl radical)(HO2·) 및/또는 수산화 라디칼(hydroxyl radical)(·OH)이 생성될 수 있다. 또한, 상기 환원극으로 공급되는 공기 중의 산소 분자가 고분자 전해질막을 통과하여 산화극에 도달할 경우, 상기 산화극에서도 과산화수소가 생성되어 과산화수소 라디칼 및/또는 수산화 라디칼을 야기할 수 있다. 이러한 라디칼들은 고분자 전해질막에 포함되어 있는 이오노머(ionomer)(예를 들어, 술폰산기를 갖는 폴리머)의 열화를 야기하여 상기 전해질막의 이온 전도도를 저하시킨다.Radicals generated when the fuel cell is operated are known to be the main cause of deterioration of the polymer electrolyte membrane. For example, during the reduction reaction of oxygen at the reducing electrode, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated, and from this hydrogen peroxide, a hydrogen peroxide radical (HO 2 ) and / or a hydroxyl radical ( OH ) can be created. In addition, when oxygen molecules in the air supplied to the cathode pass through the polymer electrolyte membrane and reach the anode, hydrogen peroxide is also generated at the anode, resulting in hydrogen peroxide radicals and/or hydroxyl radicals. These radicals cause deterioration of ionomer (for example, a polymer having a sulfonic acid group) included in the polymer electrolyte membrane, thereby lowering the ionic conductivity of the electrolyte membrane.

라디칼로 인한 고분자 전해질막(더욱 구체적으로는, 이오노머)의 열화를 방지하기 위하여, 상기 라디칼을 제거할 수 있는 라디칼 스캐빈저(radical scavenger)의 도입이 제안되었다.In order to prevent deterioration of a polymer electrolyte membrane (more specifically, an ionomer) due to radicals, introduction of a radical scavenger capable of removing the radicals has been proposed.

그러나, 입자 형태로 전해질막 내에 분산되는 상기 라디칼 스캐빈저는 연료전지의 운전 중에 용출(migration)된다는 문제가 있다. 즉, 라디칼을 제거할 수 있는 라디칼 스캐빈저의 양이 줄어들기 때문에 연료전지의 구동 시간이 길어질수록 라디칼 제거가 적절히 이루어지지 못해 연료전지의 급격한 성능 저하가 야기된다.However, there is a problem in that the radical scavenger dispersed in the electrolyte membrane in the form of particles migrates during operation of the fuel cell. That is, since the amount of radical scavengers capable of removing radicals is reduced, as the driving time of the fuel cell increases, radical removal is not properly performed, resulting in rapid performance degradation of the fuel cell.

또한, 라디칼 스캐빈저의 이온화를 통해 생성되는 금속 이온이 물에 의해 용출된다. 이 금속 이온은 매우 높은 환원 전위를 갖기 때문에 전극의 구성성분(예를 들어, 백금 및/또는 탄소)을 산화시켜 연료전지의 성능 저하를 야기한다.In addition, metal ions generated through ionization of radical scavengers are eluted by water. Since this metal ion has a very high reduction potential, it oxidizes the components of the electrode (eg, platinum and/or carbon), causing degradation of the performance of the fuel cell.

따라서, 이러한 라디칼 스캐빈저의 용출을 방지하고 이의 이온화를 통해 생성되는 금속 이온의 용출을 방지하기 위한 라디칼 스캐빈저의 개발이 시급한 실정이다.Therefore, there is an urgent need to develop a radical scavenger for preventing elution of such radical scavengers and preventing elution of metal ions generated through ionization thereof.

본 발명의 목적은 연료전지 운전 과정에서 라디칼 스캐빈저의 용출을 방지하고 라디칼 스캐빈저 입자간 응집을 방지하여 분산성을 높임으로써 연료전지의 성능을 장기간 유지시킬 수 있고 그 수명을 향상시킬 수 있는 라디칼 스캐빈저를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to prevent elution of radical scavengers during fuel cell operation and prevent aggregation between radical scavenger particles to increase dispersibility, thereby maintaining the performance of fuel cells for a long time and improving their lifespan It is to provide a radical scavenger.

본 발명의 다른 목적은 상기 라디칼 스캐빈저의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing the radical scavenger.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly including the radical scavenger.

본 발명의 일 실시예는, 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자 및 상기 입자의 외부 표면 및 내부 중 적어도 일부에 도입된 불소계 고분자를 포함하는 라디칼 스캐빈저를 제공한다.One embodiment of the present invention provides a radical scavenger including particles capable of trapping peroxides or radicals and a fluorine-based polymer introduced into at least a part of the outer surface and the inside of the particles.

상기 입자는 전이 금속, 귀금속, 이들의 이온, 이들의 염, 이들의 산화물, 이들의 질화물, 및 이들의 착물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.The particles may include at least one selected from the group consisting of transition metals, noble metals, ions thereof, salts thereof, oxides thereof, nitrides thereof, and complexes thereof.

상기 불소계 고분자는 폴리(퍼플루오로술폰산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 불소계 고분자일 수 있다.The fluorine-based polymer may be poly(perfluorosulfonic acid), a copolymer of sulfonic acid group-containing tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether, or a mixture thereof.

상기 입자는 다수의 기공을 포함하는 다공성 입자이고, 상기 불소계 고분자가 상기 입자의 기공에 함침된 것일 수 있다.The particles may be porous particles including a plurality of pores, and the pores of the particles may be impregnated with the fluorine-based polymer.

상기 입자의 외부 표면에 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 상기 불소계 고분자를 포함할 수 있다.A coating layer may be included on the outer surface of the particle, and the coating layer may include the fluorine-based polymer.

상기 코팅층은 상기 입자의 전체 외부 표면적 대비 30% 내지 70%의 면적으로 형성될 수 있다.The coating layer may be formed in an area of 30% to 70% of the total external surface area of the particle.

상기 입자의 평균 입경은 50 nm 내지 1 ㎛일 수 있다.The particles may have an average particle diameter of 50 nm to 1 μm.

상기 코팅층의 두께는 상기 입자의 평균 입경 범위의 5% 내지 30%일 수 있다.The thickness of the coating layer may be 5% to 30% of the average particle diameter range of the particles.

상기 코팅층의 상대 결정화도(Relative degree of crystallinity: RDOC)는 10.0 % 내지 16.0 %일 수 있다.A relative degree of crystallinity (RDOC) of the coating layer may be 10.0% to 16.0%.

상기 입자의 함량은 상기 라디칼 스캐빈저 총 중량에 대해 30 내지 80 중량%일 수 있다.The content of the particles may be 30 to 80% by weight based on the total weight of the radical scavenger.

본 발명의 다른 일 실시예는, 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자를 준비하는 단계, 상기 입자의 외부 표면 및 내부 중 적어도 일부에 불소계 고분자를 도입하는 단계 및 상기 불소계 고분자가 도입된 입자를 열처리하는 단계를 포함하는 라디칼 스캐빈저의 제조방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, preparing particles capable of trapping peroxides or radicals, introducing a fluorine-based polymer to at least a part of the outer surface and inside of the particles, and heat-treating the particles into which the fluorine-based polymer is introduced It provides a method for producing a radical scavenger comprising the step of doing.

상기 입자는 원팟(one-pot) 수열합성법, 졸-겔(sol-gel)법 또는 산화환원에 의한 공동형성법에 의해 형성된 다공성 입자일 수 있다.The particles may be porous particles formed by a one-pot hydrothermal synthesis method, a sol-gel method, or a cavity formation method by redox.

상기 불소계 고분자는 폴리(퍼플루오로술폰산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 불소계 고분자일 수 있다.The fluorine-based polymer may be poly(perfluorosulfonic acid), a copolymer of sulfonic acid group-containing tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether, or a mixture thereof.

상기 불소계 고분자를 도입하는 단계에서, 상기 불소계 고분자의 분산액 또는 용융액을 상기 입자와 혼합한 뒤, 스프레이 분사하는 단계를 포함하고, 상기 혼합은 균질혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 초음파 혼합 및 공명 음향 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 이용하여 수행될 수 있다.In the step of introducing the fluorine-based polymer, the dispersion or melt of the fluorine-based polymer is mixed with the particles and then sprayed, and the mixing is performed using a homogeneous mixer, a high-pressure disperser, a ball mill, a powder mixer, ultrasonic mixing, and resonance It may be performed using at least one selected from the group consisting of acoustic mixing.

상기 열처리는 120 ℃ 내지 220 ℃에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 열처리는 1분 내지 5 시간 동안 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at 120 °C to 220 °C. In addition, the heat treatment may be performed for 1 minute to 5 hours.

상기 열처리 이후 불소계 고분자가 도입된 입자를 산성 수용액에 침지하는 단계를 더 포함할 수 있다.A step of immersing the particles into which the fluorine-based polymer is introduced after the heat treatment may be further included in an acidic aqueous solution.

상기 입자는 전이 금속, 귀금속, 이들의 이온, 이들의 염, 이들의 산화물, 이들의 질화물, 및 이들의 착물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.The particles may include at least one selected from the group consisting of transition metals, noble metals, ions thereof, salts thereof, oxides thereof, nitrides thereof, and complexes thereof.

상기 입자의 함량은 라디칼 스캐빈저 총 중량에 대해 30 내지 80 중량%일 수 있다.The content of the particles may be 30 to 80% by weight based on the total weight of the radical scavenger.

본 발명의 또 다른 일 실시예는, 이온 교환막, 상기 이온 교환막의 양면에 각각 배치되는 촉매 전극, 그리고 상기 촉매 전극 내, 이온 교환막 내, 상기 이온 교환막과 촉매 전극 사이 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 위치에 상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공한다.Another embodiment of the present invention is a group consisting of an ion exchange membrane, a catalyst electrode disposed on both sides of the ion exchange membrane, and within the catalyst electrode, within the ion exchange membrane, between the ion exchange membrane and the catalyst electrode, and combinations thereof. A membrane-electrode assembly including the radical scavenger at a selected location is provided.

상기 막-전극 어셈블리는 상기 이온 교환막과 상기 촉매 전극 사이에 위치하는 계면 접착층을 더 포함하고, 상기 계면 접착층은 이오노머 및 상기 라디칼 스캐빈저를 포함할 수 있다.The membrane-electrode assembly may further include an interfacial adhesion layer positioned between the ion exchange membrane and the catalyst electrode, and the interfacial adhesion layer may include an ionomer and the radical scavenger.

상기 계면 접착층은 상기 계면 접착층 전체 중량에 대하여 상기 라디칼 스캐빈저를 0.1 중량% 내지 70 중량%로 포함할 수 있다.The interfacial bonding layer may include 0.1 wt% to 70 wt% of the radical scavenger based on the total weight of the interfacial bonding layer.

상기 계면 접착층의 두께는 5 nm 내지 5 ㎛일 수 있다.The interfacial adhesive layer may have a thickness of 5 nm to 5 μm.

상기 계면 접착층의 로딩량은 0.01 mg/cm2 내지 2.0 mg/cm2일 수 있다.The loading amount of the interfacial adhesive layer may be 0.01 mg/cm 2 to 2.0 mg/cm 2 .

본 발명의 또 다른 일 실시예는, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공한다. Another embodiment of the present invention provides a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

본 발명에 의하면, 라디칼 스캐빈저의 외부 표면 또는 내부에 불소계 고분자를 도입함으로써 라디칼 스캐빈저 자체의 이동도(mobility)를 감소시켜 그 용출을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 라디칼 스캐빈저 자체의 응집을 방지하여 분산성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, by introducing a fluorine-based polymer to the outer surface or inside of the radical scavenger, the mobility of the radical scavenger itself can be reduced to suppress elution, as well as the aggregation of the radical scavenger itself. can be prevented to improve dispersibility.

따라서, 연료전지의 운전 중에 생성되는 라디칼, 구체적으로는 수산화 라디칼에 인한 전해질막 및/또는 전극의 화학적 열화 없이 연료전지의 성능을 장기간 유지시킬 수 있고 그 수명을 현저히 향상시킬 수 있다.Therefore, the performance of the fuel cell can be maintained for a long period of time without chemical deterioration of the electrolyte membrane and/or the electrode due to radicals generated during operation of the fuel cell, specifically, hydroxyl radicals, and its lifespan can be remarkably improved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라디칼 스캐빈저를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라디칼 스캐빈저를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제조예에서 제조한 라디칼 스캐빈저의 결정화도를 확인하기 위해 측정한 XRD 패턴이다.
1 is a schematic diagram schematically showing a radical scavenger according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram schematically showing a radical scavenger according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic cross-sectional view of a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
5 is an XRD pattern measured to confirm the crystallinity of the radical scavenger prepared in Preparation Example of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness is enlarged in order to clearly express various layers and regions, and the same reference numerals are attached to similar parts throughout the specification. When a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case where it is "directly on" the other part, but also the case where there is another part in between. Conversely, when a part is said to be "directly on" another part, it means that there is no other part in between.

이하, 일 실시예에 따른 라디칼 스캐빈저에 관하여 설명한다.Hereinafter, a radical scavenger according to an embodiment will be described.

본 발명은 연료전지 운전 과정에서 라디칼 스캐빈저의 용출을 방지하고 라디칼 스캐빈저 입자간 응집을 방지하여 분산성을 높임으로써 연료전지의 성능을 장기간 유지시킬 수 있고 그 수명을 향상시킬 수 있는 라디칼 스캐빈저에 관한 것이다.The present invention prevents elution of radical scavengers during fuel cell operation and prevents aggregation between radical scavenger particles to increase dispersibility, thereby maintaining performance of fuel cells for a long period of time and improving their lifespan. It's about the Cabiner.

도 1 및 도 2는 일 구현예에 따른 라디칼 스캐빈저의 개략적인 구성을 나타낸 모식도이다.1 and 2 are schematic diagrams showing a schematic configuration of a radical scavenger according to an embodiment.

구체적으로, 일 구현예에 따른 라디칼 스캐빈저는 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자 및 상기 입자의 외부 표면 및 내부 중 적어도 일부에 도입된 불소계 고분자를 포함한다.Specifically, the radical scavenger according to an embodiment includes particles capable of trapping peroxides or radicals, and a fluorine-based polymer introduced to at least a part of the outer surface and the inside of the particles.

고분자 전해질 연료전지의 캐소드 전극에서의 산소의 환원 반응은 과산화수소(H2O2)를 경유해서 진행되기 때문에, 캐소드 전극에서는 과산화수소 또는 상기 생성된 과산화수소로부터 수산화 라디칼(·OH)이 생성될 수 있다. 또한, 상기 고분자 전해질 연료전지의 애노드 전극에서는 산소 분자가 이온 교환막을 투과함에 따라 애노드 전극에서도 상기 과산화수소 또는 수산화 라디칼이 생성될 수 있다. 상기 생성된 과산화수소 또는 수산화 라디칼은 상기 이온 교환막 또는 상기 촉매 전극에 포함된 술폰산기를 포함하는 폴리머를 열화시키는 원인이 된다.Since the oxygen reduction reaction at the cathode electrode of the polymer electrolyte fuel cell proceeds via hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), a hydroxyl radical (.OH) may be generated from hydrogen peroxide or the generated hydrogen peroxide at the cathode electrode. In addition, in the anode electrode of the polymer electrolyte fuel cell, as oxygen molecules pass through the ion exchange membrane, the hydrogen peroxide or hydroxyl radical may also be generated at the anode electrode. The generated hydrogen peroxide or hydroxyl radical causes deterioration of a polymer including a sulfonic acid group included in the ion exchange membrane or the catalyst electrode.

통상적으로 연료전지의 구동 과정에서 발생되는 과산화물 또는 라디칼에 의한 고분자 전해질 막의 열화를 방지하기 위해 상기 과산화물 또는 라디칼을 포획 또는 분해할 수 있는 라디칼 스캐빈저를 적용하였다. 그러나 연료전지의 구동 과정이 지속될수록 라디칼 스캐빈저가 용출됨으로 인하여 라디칼을 제거할 수 있는 라디칼 스캐빈저의 양이 감소하고 연료전지의 구동 시간이 길어질수록 라디칼 제거가 적절히 이루어지지 못해 연료전지의 급격한 성능 저하가 야기되는 문제점이 있었다.A radical scavenger capable of trapping or decomposing peroxides or radicals is applied in order to prevent deterioration of a polymer electrolyte membrane caused by peroxides or radicals commonly generated during the operation of a fuel cell. However, as the driving process of the fuel cell continues, the amount of radical scavenger that can remove radicals decreases due to the elution of radical scavengers. There was a problem that caused the degradation.

이에 대하여 본 발명에 따른 라디칼 스캐빈저는 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자의 외부 표면 또는 내부 중 적어도 일부에 불소계 고분자를 도입함으로써 라디칼 스캐빈저 자체의 이동도(mobility)를 감소시켜 연료전지 운전 과정에서 라디칼 스캐빈저의 용출을 방지하고 라디칼 스캐빈저 입자간 응집을 방지하여 분산성을 높임으로써 연료전지의 성능을 장기간 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라 그 수명을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.On the other hand, the radical scavenger according to the present invention reduces the mobility of the radical scavenger itself by introducing a fluorine-based polymer to at least a part of the outer surface or inside of the peroxide or radical-capturing particles, thereby driving a fuel cell. In the process, the elution of the radical scavenger is prevented and the aggregation between the radical scavenger particles is prevented to increase the dispersibility, thereby maintaining the performance of the fuel cell for a long period of time and improving its lifespan.

상기 입자는 전해질막의 열화를 유발하여 그 이온전도도를 저하시키는 과산화물 또는 라디칼을 제거할 수 있는 입자로서, 전이 금속, 귀금속, 이들의 이온, 이들의 염, 이들의 산화물, 이들의 질화물, 및 이들의 착물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.The particles are particles capable of removing peroxides or radicals that cause deterioration of the electrolyte membrane and thereby lower the ion conductivity, and include transition metals, noble metals, ions thereof, salts thereof, oxides thereof, nitrides thereof, and It may contain at least one selected from the group consisting of complexes.

상기 전이 금속은 세륨(Ce), 망간(Mn), 텅스텐(W), 코발트(Co), 바나듐(V), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 이리듐(Ir), 철(Fe), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 란탄(La), 또는 네오디뮴(Nd)일 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다.The transition metal is cerium (Ce), manganese (Mn), tungsten (W), cobalt (Co), vanadium (V), nickel (Ni), chromium (Cr), zirconium (Zr), yttrium (Y), iridium (Ir), iron (Fe), titanium (Ti), molybdenum (Mo), lanthanum (La), or neodymium (Nd), but is not limited thereto.

상기 귀금속은 은(Au), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 또는 로듐(Rh)일 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다.The noble metal may be silver (Au), platinum (Pt), ruthenium (Ru), palladium (Pd), or rhodium (Rh), but is not limited thereto.

상기 전이 금속 또는 귀금속의 이온은, 세륨(Ce) 이온, 망간(Mn) 이온, 텅스텐(W) 이온, 코발트(Co) 이온, 바나듐(V) 이온, 니켈(Ni) 이온, 크롬(Cr) 이온, 지르코늄(Zr) 이온, 이트륨(Y) 이온, 이리듐(Ir) 이온, 철(Fe) 이온, 티타늄(Ti) 이온, 몰리브덴(Mo) 이온, 란탄(La) 이온, 또는 네오디뮴(Nd) 이온일 수 있고, 구체적으로 세륨을 예로 들면 세륨 3가 이온(Ce3+) 또는 세륨 4가 이온(Ce4+)일 수 있다.The ions of the transition metal or noble metal include cerium (Ce) ions, manganese (Mn) ions, tungsten (W) ions, cobalt (Co) ions, vanadium (V) ions, nickel (Ni) ions, and chromium (Cr) ions. , zirconium (Zr) ion, yttrium (Y) ion, iridium (Ir) ion, iron (Fe) ion, titanium (Ti) ion, molybdenum (Mo) ion, lanthanum (La) ion, or neodymium (Nd) ion For example, cerium may be a trivalent ion (Ce 3+ ) or a tetravalent ion (Ce 4+ ) of cerium.

상기 전이 금속 또는 귀금속의 염은, 탄산염, 초산염, 염화염, 불화염, 황산염, 인산염, 질산염, 텅스텐산염, 수산화염, 초산암모늄염, 황산암모늄염, 또는 아세틸아세토네이트염일 수 있고, 구체적으로 세륨을 예로 들면 탄산 세륨, 초산 세륨, 염화 세륨, 초산 세륨, 황산 세륨, 초산 2암모늄 세륨, 황산 4암모늄 세륨 등을 들 수 있고, 유기금속착염으로서 세륨 아세틸아세토네이트 등을 들 수 있다.The transition metal or precious metal salt may be a carbonate, acetate, chloride, fluoride, sulfate, phosphate, nitrate, tungstate, hydroxide, ammonium acetate, ammonium sulfate, or acetylacetonate salt, and specifically cerium as an example. Examples thereof include cerium carbonate, cerium acetate, cerium chloride, cerium acetate, cerium sulfate, cerium diammonium acetate, cerium quaternary ammonium sulfate, and the like, and cerium acetylacetonate and the like as organometallic complex salts.

상기 불소계 고분자는, 폴리(퍼플루오로술폰산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The fluorine-based polymer may include poly(perfluorosulfonic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene containing a sulfonic acid group and fluorovinyl ether, or a mixture thereof.

상기 불소계 고분자는 상기 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자의 외부 표면 또는 내부에 도입되거나, 또는 외부 표면 및 내부에 모두 도입됨으로써 상기 입자 자체의 이동도(mobility)를 감소시켜 안정화시킴으로써, 연료전지 구동과정에서 상기 입자의 용출을 방지할 수 있다.The fluorine-based polymer is introduced to the outer surface or inside of the particle capable of trapping the peroxide or radical, or introduced to both the outer surface and the inside to reduce and stabilize the mobility of the particle itself, driving a fuel cell In the process, elution of the particles may be prevented.

일 구현예에서, 상기 입자는 다수의 기공을 포함하는 다공성 입자이고, 상기 불소계 고분자가 상기 입자의 기공에 함침된 것일 수 있다.In one embodiment, the particle may be a porous particle including a plurality of pores, and the fluorine-based polymer may be impregnated into the pores of the particle.

상기 다공성 입자는, 예를 들어 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자인 전이 금속 또는 귀금속의 전구체를 이용하여, 원팟(one-pot) 수열합성법, 졸-겔(sol-gel)법 또는 산화환원에 의한 공동(cavity) 형성법을 이용하여 형성할 수 있으나, 상기 전구체를 이용하여 입자에 다공성을 부여할 수 있는 것이라면 그 방법에 제한되지 않는다.The porous particles are, for example, by using a precursor of a transition metal or noble metal, which is a particle capable of trapping peroxides or radicals, by a one-pot hydrothermal synthesis method, a sol-gel method, or a redox method. However, it is not limited to the method as long as porosity can be imparted to the particles using the precursor.

상기 다공성 입자는 상기 불소계 고분자가 다공성 입자의 기공에 적절히 함침되고, 과산화물 또는 라디칼을 포획 또는 분해하는데 방해가 되지 않도록 적절한 기공 크기를 가질 필요가 있으며, 예를 들어 상기 다공성 입자의 평균 기공 크기는 1 nm 내지 20 nm일 수 있다. The porous particle needs to have an appropriate pore size so that the fluorine-based polymer is appropriately impregnated into the pores of the porous particle and does not interfere with trapping or decomposing peroxides or radicals. For example, the average pore size of the porous particle is 1 nm to 20 nm.

일 구현예에서, 상기 입자의 평균 입경은, 예를 들어 50 nm 내지 1 ㎛일 수 있고, 구체적으로 60 nm 내지 100 nm일 수 있다. 상기 입자의 평균 입경이 50 nm 미만인 경우 연료전지 구동과정에서 용출될 우려가 있으며, 평균 입경이 1 ㎛를 초과하는 경우 라디칼 스캐빈저의 입자 내 분산성이 줄어들어 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 효율이 감소할 우려가 있다.In one embodiment, the average particle diameter of the particles may be, for example, 50 nm to 1 μm, specifically 60 nm to 100 nm. If the average particle diameter of the particles is less than 50 nm, there is a risk of elution during the fuel cell driving process, and if the average particle diameter exceeds 1 μm, the dispersibility of the radical scavenger in the particles is reduced, thereby increasing the efficiency of trapping peroxides or radicals There is a risk of decrease.

일 구현예에서, 상기 입자의 외부 표면에 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 상기 불소계 고분자를 포함할 수 있다.In one embodiment, a coating layer may be included on the outer surface of the particle, and the coating layer may include the fluorine-based polymer.

상기 불소계 고분자를 포함하는 코팅층이 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자의 표면에 형성됨으로써 입자의 이동도를 감소시켜 안정화시킴으로써 연료전지의 구동과정에서 상기 입자의 용출을 방지할 수 있다.Since the coating layer containing the fluorine-based polymer is formed on the surface of the particles capable of trapping peroxides or radicals, the mobility of the particles is reduced and stabilized, thereby preventing the particles from eluting during operation of the fuel cell.

상기 코팅층은 상기 입자를 완전히 뒤덮는 형태로 형성되거나, 다수의 기공을 포함하도록 코팅층이 형성되어 상기 입자를 그물망 형상으로 덮는 형태로 형성될 수 있다. The coating layer may be formed to completely cover the particles, or may be formed to include a plurality of pores to cover the particles in a mesh shape.

도 1 및 도 2는 각각 상이한 형태의 코팅층을 포함하는 라디칼 스캐빈저를 모식적으로 나타내는 그림이다. 1 and 2 are diagrams schematically showing a radical scavenger including coating layers of different shapes, respectively.

도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 라디칼 스캐빈저는 상기 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자의 표면에 다수의 기공을 포함하도록 그물망 형상의 코팅층이 형성될 수 있다. 상기 코팅층에 형성된 다수의 기공을 통해, 예를 들어, 연료전지 구동 중에 발생하는 수산화 라디칼(·OH)이 상기 코팅층의 다수의 기공을 통과하여 상기 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자와 반응한 후, 반응 생성물을 상기 기공을 통해 배출함으로써, 상기 수산화 라디칼의 분해를 원활하게 진행할 수 있다. 상기와 같이, 라디칼 스캐빈저의 상기 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자의 표면에 다수의 기공을 포함하도록 그물망 형상의 코팅층이 형성될 경우, 상기 코팅층은 상기 입자의 전체 외부 표면적 대비 30% 내지 70%의 면적으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1 , in the radical scavenger according to an embodiment, a mesh-shaped coating layer may be formed to include a plurality of pores on the surface of the peroxide or radical-capturing particles. Through a plurality of pores formed in the coating layer, for example, hydroxyl radicals ( OH ) generated during fuel cell operation pass through the plurality of pores of the coating layer and react with the peroxide or particles capable of trapping the radicals. , By discharging the reaction product through the pores, the decomposition of the hydroxyl radical can proceed smoothly. As described above, when a mesh-shaped coating layer is formed to include a plurality of pores on the surface of the particle capable of trapping the peroxide or radical of the radical scavenger, the coating layer is 30% to 70% of the total external surface area of the particle % area.

일구현예에서, 상기 코팅층에 포함된 기공의 크기는 라디칼 스캐빈저의 포획 대상인 라디칼과 상기 라디칼의 반응 생성물의 원활한 이동을 위해, 예를 들어, 1 옹스트롱(Å) 내지 20 옹스트롱(Å)일 수 있고, 보다 구체적으로 3 옹스트롱(Å) 내지 5 옹스트롱(Å)일 수 있다. In one embodiment, the size of the pores included in the coating layer is, for example, 1 angstrom (Å) to 20 angstrom (Å) for smooth movement of radicals to be captured by the radical scavenger and reaction products of the radicals , and more specifically, it may be 3 Angstroms (Å) to 5 Angstroms (Å).

도 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 라디칼 스캐빈저는 상기 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자의 표면을 완전히 뒤덮는 형태, 예를 들어 코어-쉘 형태의 코팅층으로 형성될 수도 있다. 상기와 같은 코어-쉘 형태로 코팅층이 형성됨에 따라, 코팅층에 불소계 고분자의 함량이 상대적으로 증가하고, 그 결과 라디칼 스캐빈저의 이동도를 현저하게 감소시켜 안정화시킴으로써 연료전지의 구동과정에서 상기 입자의 용출을 더욱 방지할 수 있는 효과가 있다.Referring to FIG. 2 , the radical scavenger according to an embodiment may be formed as a coating layer completely covering the surface of the peroxide or radical-capturing particle, for example, a core-shell type. As the coating layer is formed in the core-shell form as described above, the content of the fluorine-based polymer in the coating layer is relatively increased, and as a result, the mobility of the radical scavenger is significantly reduced and stabilized, thereby reducing the particle size during the operation of the fuel cell. There is an effect that can further prevent elution.

일 구현예에서, 상기 코팅층의 두께는, 예를 들어 상기 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자의 평균 입경 범위의 5% 내지 30%, 구체적으로 10% 내지 20%일 수 있다.In one embodiment, the thickness of the coating layer may be, for example, 5% to 30%, specifically 10% to 20% of the average particle diameter range of the peroxide or radical-capturing particles.

상기 코팅층의 두께가 상기 입자의 평균 입경 범위의 5% 미만인 경우, 코팅층에 포함된 불소계 고분자의 함량이 상대적으로 감소하여 입자의 이동도가 증가한 결과 연료전지 구동과정에서 상기 입자가 용출될 가능성이 있으며, 코팅층의 두께가 상기 입자의 평균 입경 범위의 30%를 초과하는 경우, 상기 입자에 의한 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 능력이 줄어들 수 있으므로 상기 범위 내에서 적절히 조절한다.When the thickness of the coating layer is less than 5% of the average particle diameter range of the particles, the content of the fluorine-based polymer contained in the coating layer is relatively reduced and the mobility of the particles is increased. As a result, there is a possibility that the particles are eluted during the fuel cell driving process. , If the thickness of the coating layer exceeds 30% of the average particle diameter range of the particles, the ability to capture peroxide or radicals by the particles may be reduced, so it is appropriately adjusted within the above range.

일 구현예에서, 상기 코팅층의 상대 결정화도(Relative degree of crystallinity: RDOC)는 10.0 % 내지 16.0 %일 수 있고, 예를 들어 12.0 % 내지 15.0%, 바람직하게는 13.0% 내지 14.5% 또는 13.5 % 내지 14.3 %일 수 있다. 일 구현예에 따른 라디칼 스캐빈저는, 상기 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자의 표면에 불소계 고분자를 도포하고 이를 열처리함으로써 결정성을 지닌 경성(rigid)의 코팅층이 형성된 것일 수 있다. 상기 열처리에 대한 상세한 내용은 상기 라디칼 스캐빈저의 제조방법과 함께 후술하기로 한다. 상기 코팅층의 상대 결정화도가 10.0 % 내지 16.0 %임에 따라, 일 구현예에 따른 라디칼 스캐빈저의 안정성 및 이동도를 현저하게 감소시킬 수 있는 효과가 있으며, 상기 코팅층의 상대 결정화도가 16.0 %를 초과하는 경우 라디칼 스캐빈저를 포함하는 막-전극 어셈블리의 이온전도도가 감소할 수 있다. 상기 일 구현예에 따른 라디칼 스캐빈저 코팅층의 상대 결정화도는, 예를 들어, X-선 회절(XRD) 분석 실험 결과를 통해 결정상의 면적과 비정질상의 면적의 총합에 대한 결정상의 면적으로부터 얻을 수 있다.In one embodiment, the relative degree of crystallinity (RDOC) of the coating layer may be 10.0% to 16.0%, for example, 12.0% to 15.0%, preferably 13.0% to 14.5% or 13.5% to 14.3%. may be %. The radical scavenger according to an embodiment may be one in which a rigid coating layer having crystallinity is formed by applying a fluorine-based polymer to the surface of the particles capable of trapping the peroxide or radicals and heat-treating the same. Details of the heat treatment will be described later together with the method of manufacturing the radical scavenger. As the relative crystallinity of the coating layer is 10.0% to 16.0%, there is an effect of significantly reducing the stability and mobility of the radical scavenger according to one embodiment, and the relative crystallinity of the coating layer exceeds 16.0%. In this case, the ionic conductivity of the membrane-electrode assembly including the radical scavenger may decrease. The relative crystallinity of the radical scavenger coating layer according to the embodiment can be obtained from the area of the crystalline phase relative to the sum of the area of the crystalline phase and the area of the amorphous phase through, for example, X-ray diffraction (XRD) analysis results. .

일 구현예에서, 상기 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자는, 라디칼 스캐빈저 전체 총 중량에 대하여 30 중량% 내지 80 중량%로 포함될 수 있고, 구체적으로 40 중량 내지 70 중량%로 포함될 수 있다.In one embodiment, the particles capable of trapping the peroxide or radicals may be included in an amount of 30% to 80% by weight, specifically 40% to 70% by weight, based on the total weight of the radical scavenger. .

상기 입자의 함량이 라디칼 스캐빈저 전체 총 중량에 대하여 30 중량% 미만인 경우 라디칼 스캐빈저의 과산화물 또는 라디칼을 포획 또는 분해할 수 있는 성능이 감소할 수 있으며, 라디칼 스캐빈저 전체 총 중량에 대하여 80 중량%를 초과하는 경우 라디칼 스캐빈저 내 불소계 고분자의 함량이 상대적으로 줄어들어 입자의 이동도가 증가한 결과 연료전지 구동과정에서 상기 입자가 용출될 가능성이 있으므로, 상기 범위 내에서 적절히 조절한다.If the content of the particles is less than 30% by weight based on the total weight of the radical scavenger, the ability to capture or decompose peroxides or radicals of the radical scavenger may decrease, and 80% based on the total weight of the radical scavenger When the weight % is exceeded, the content of the fluorine-based polymer in the radical scavenger is relatively reduced and the mobility of the particles is increased, so that the particles may be eluted during the fuel cell driving process, so it is appropriately adjusted within the above range.

본 발명의 또 다른 일 실시예는 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자를 준비하는 단계, 상기 입자의 외부 표면 및 내부 중 적어도 일부에 불소계 고분자를 도입하는 단계 및 상기 불소계 고분자가 도입된 입자를 열처리하는 단계를 포함하는 라디칼 스캐빈저의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention is to prepare particles capable of trapping peroxides or radicals, introducing a fluorine-based polymer to at least a part of the outer surface and inside of the particles, and heat-treating the particles into which the fluorine-based polymer is introduced It provides a method for producing a radical scavenger comprising the step of doing.

상기 입자는 전이 금속, 귀금속, 이들의 이온, 이들의 염, 이들의 산화물, 이들의 질화물, 및 이들의 착물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 그 구체적인 종류에 대한 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.The particles may include at least one selected from the group consisting of transition metals, noble metals, ions thereof, salts thereof, oxides thereof, nitrides thereof, and complexes thereof. Since it is the same as the above, repetitive explanation is omitted.

일 구현예에서, 상기 입자는 다수의 기공을 포함하는 다공성 입자일 수 있으며, 상기 다공성 입자는 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자인 전이 금속 또는 귀금속의 전구체를 이용하여, 원팟(one-pot) 수열합성법, 졸-겔(sol-gel)법 또는 상기 전이 금속 또는 귀금속의 산화환원 반응상의 이온 스위칭(switching)에 의한 입자 내 공동(cavity) 형성법을 이용하여 입자에 다공성을 부여할 수 있다.In one embodiment, the particle may be a porous particle including a plurality of pores, and the porous particle may be a one-pot using a precursor of a transition metal or noble metal, which is a particle capable of trapping a peroxide or a radical. Porosity may be imparted to the particles using a hydrothermal synthesis method, a sol-gel method, or a method of forming cavities in particles by ion switching in the oxidation-reduction reaction of the transition metal or noble metal.

상기 입자의 평균 기공 크기는 상기 불소계 고분자가 다공성 입자의 기공에 적절히 함침되고, 과산화물 또는 라디칼을 포획 또는 분해하는데 방해가 되지 않도록 1 nm 내지 20 nm일 수 있다.The average pore size of the particles may be 1 nm to 20 nm so that the fluorine-based polymer is appropriately impregnated into the pores of the porous particles and does not interfere with trapping or decomposing peroxides or radicals.

다음으로, 상기 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자의 외부 표면 및 내부 중 적어도 일부에 불소계 고분자를 도입한다.Next, a fluorine-based polymer is introduced to at least a part of the outer surface and the inside of the particle capable of trapping the peroxide or the radical.

일 구현예에서, 상기 불소계 고분자를 도입하는 단계는 상기 불소계 고분자의 분산액 또는 상기 불소계 고분자의 용융액을 상기 입자와 혼합한 뒤, 스프레이 분사하는 단계를 포함할 수 있다. In one embodiment, the step of introducing the fluorine-based polymer may include mixing a dispersion of the fluorine-based polymer or a melt of the fluorine-based polymer with the particles, and then spraying the particles.

상기 불소계 고분자는 폴리(퍼플루오로술폰산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 불소계 고분자는 -SO2X 기능기(X는 X' 또는 OM으로부터 선택되고, X'는 F, Cl, Br 및 I로 구성되는 군으로부터 선택되고, M은 H 또는 알칼리 금속)를 포함하고, 테트라플루오로에틸렌(TFE) 및 선형 설포닐 플루오라이드 비닐 에테르(SFVE) F2C=CF-O-CF2-CF2-SO2F 로부터 유래되는 반복 단위를 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 불소계 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 측쇄를 포함하는 것일 수 있다:The fluorine-based polymer may include poly(perfluorosulfonic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene containing a sulfonic acid group and fluorovinyl ether, or a mixture thereof. For example, the fluorine-based polymer is -SO 2 X functional group (X is selected from X' or OM, X' is selected from the group consisting of F, Cl, Br and I, M is H or an alkali metal) and may include repeating units derived from tetrafluoroethylene (TFE) and linear sulfonyl fluoride vinyl ether (SFVE) F 2 C=CF-O-CF 2 -CF 2 -SO 2 F. Also, for example, the fluorine-based polymer may include a side chain represented by Formula 1 below:

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서, m 및 n 은 각각 독립적으로 0 또는 1 이상의 정수이고, A는 양이온 교환기, 예를 들어 술폰산기 (SO3 -H+)이고, * 는 주쇄와 연결되는 부분을 나타낸다.In Formula 1, m and n are each independently an integer of 0 or 1 or more, A is a cation exchange group, for example, a sulfonic acid group (SO 3 - H + ), and * represents a portion connected to the main chain.

상기 불소계 고분자로서 시판되고 있는 제품으로는 DuPont의 Nafion, 3M의 이오노머 (Dyneon 등), Solvay의 Aquivion 등이 있다.Commercially available products as the fluorine-based polymer include DuPont's Nafion, 3M's ionomer (Dyneon, etc.), Solvay's Aquivion, and the like.

상기 불소계 고분자를 용매에 첨가하여 불소계 고분자 분산액을 제조하기 위한 용매로는 물, 에탄올, 메탄올, 아세톤, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 트리스-염산 버퍼 용액 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있으나, 불소계 고분자를 적절히 분산시킬 수 있는 것이라면 그 종류가 제한되지 않을 수 있다.Examples of solvents for preparing a fluorine-based polymer dispersion by adding the fluorine-based polymer to a solvent include water, ethanol, methanol, acetone, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, tris-hydrochloric acid buffer solutions and these Any one selected from the group consisting of mixtures may be used, but the type may not be limited as long as it can properly disperse the fluorine-based polymer.

상기 불소계 고분자의 분산액 또는 상기 불소계 고분자의 용융액과 상기 입자의 혼합은, 예를 들어 균질혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 초음파 혼합 및 공명 음향 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 이용하여 수행될 수 있다.Mixing of the dispersion of the fluorine-based polymer or the melt of the fluorine-based polymer with the particles is, for example, a homogeneous mixer, a high-pressure disperser, a ball mill, a powder mixer, ultrasonic mixing, and resonant acoustic mixing. Performed using at least one selected from the group consisting of It can be.

예를 들어, 상기 불소계 고분자의 분산액 또는 상기 불소계 고분자의 용융액과 상기 입자의 혼합은 공명 음향 혼합기를 통해 진행될 수 있으며, 상기 공명 음향 혼합기는 5 내지 50%의 파워(Power) 및 1 내지 5 사이클(예컨대 10분 작동 후 5분 중단하는 과정을 1 사이클로 함) 조건에서 구동될 수 있다. 만일, 상기 공명 음향 혼합기의 구동 전력이 5% 파워 미만인 경우 균일한 혼합이 이루어지지 않을 수 있고, 50% 파워를 초과할 경우 내부 마찰열 등의 원인으로 불소계 고분자 및/또는 입자의 응집이 발생할 수 있다.For example, mixing of the dispersion of the fluorine-based polymer or the melt of the fluorine-based polymer and the particles may be performed through a resonant acoustic mixer, wherein the resonant acoustic mixer has a power of 5 to 50% and 1 to 5 cycles ( For example, a process of operating for 10 minutes and stopping for 5 minutes is regarded as one cycle). If the driving power of the resonant acoustic mixer is less than 5% power, uniform mixing may not be achieved, and if it exceeds 50% power, agglomeration of fluorine-based polymers and / or particles may occur due to internal frictional heat or the like. .

상기 혼합은 0 ℃ 내지 80 ℃에서 0.5 시간 내지 50 시간 동안 이루어질 수 있고, 보다 구체적으로 20 ℃ 내지 40 ℃에서 8 시간 내지 16 시간 동안 이루어질 수 있다. 상기 혼합이 0 ℃ 미만, 0.5 시간 미만에서 이루어지는 경우 불소계 고분자와 입자가 불균일하게 혼합되거나 혹은 불소계 고분자가 상기 입자에 충분히 도입되지 않을 수 있고, 80 ℃ 초과, 50 시간 초과로 이루어지는 경우 상기 입자에 지나치게 많은 양의 불소계 고분자가 도입될 수 있다.The mixing may be performed at 0 °C to 80 °C for 0.5 hour to 50 hours, and more specifically at 20 °C to 40 °C for 8 hours to 16 hours. When the mixing is performed at less than 0° C. for less than 0.5 hours, the fluorine-based polymer and the particles may be non-uniformly mixed or the fluorine-based polymer may not be sufficiently introduced into the particles. A large amount of fluorine-based polymer may be introduced.

상기 불소계 고분자의 분산액 또는 상기 불소계 고분자의 용융액을 상기 입자와 혼합한 뒤, 스프레이 분사함으로써 불소계 고분자가 도입된 입자가 구형이면서 분포도가 고른 입자를 제공할 수 있다. 비제한적인 예로, 상기 스프레이 분사는, 상기 불소계 고분자의 분산액 또는 상기 불소계 고분자의 용융액과 상기 입자의 혼합액을 적절한 분무 조건 하에서 노즐을 통해 고압으로 분사하는 방법으로 수행될 수 있으며, 노즐의 평균 입구 온도 및 평균 출구 온도, 상기 혼합액의 평균 유량, 노즐의 유형 및 직경, 분사 압력 등과 같은 스프레이 조건은 상기 혼합액의 고형분 함량 및 건조 효율 등을 고려하여 조절될 수 있다.After the dispersion of the fluorine-based polymer or the melt of the fluorine-based polymer is mixed with the particles and then sprayed, particles into which the fluorine-based polymer is introduced may have a spherical shape and a uniform distribution. As a non-limiting example, the spray spraying may be performed by spraying the dispersion of the fluorine-based polymer or the mixture of the melt of the fluorine-based polymer and the particles at high pressure through a nozzle under appropriate spray conditions, and the average inlet temperature of the nozzle And spray conditions such as average outlet temperature, average flow rate of the mixed solution, type and diameter of the nozzle, spray pressure, etc. may be adjusted in consideration of the solid content of the mixed solution and "drying" efficiency.

상기 불소계 고분자의 분산액 또는 상기 불소계 고분자의 용융액과 상기 입자가 혼합할 경우, 상기 입자의 함량은 라디칼 스캐빈저 총 중량에 대해 30 재니 80 중량%로 포함할 수 있고, 보다 구체적으로 40 내지 70 중량%로 포함할 수 있다. 상기 입자의 함량이 라디칼 스캐빈저 전체 총 중량에 대하여 30 중량% 미만인 경우 라디칼 스캐빈저의 과산화물 또는 라디칼을 포획 또는 분해할 수 있는 성능이 감소할 수 있으며, 라디칼 스캐빈저 전체 총 중량에 대하여 80 중량%를 초과하는 경우 라디칼 스캐빈저 내 불소계 고분자의 함량이 상대적으로 줄어들어 입자의 이동도가 증가한 결과 연료전지 구동과정에서 상기 입자가 용출될 가능성이 있으므로, 상기 범위 내에서 적절히 조절한다.When the dispersion of the fluorine-based polymer or the melt of the fluorine-based polymer and the particles are mixed, the content of the particles may be 30% to 80% by weight based on the total weight of the radical scavenger, and more specifically, 40 to 70% by weight % can be included. If the content of the particles is less than 30% by weight based on the total weight of the radical scavenger, the ability to capture or decompose peroxides or radicals of the radical scavenger may decrease, and 80% based on the total weight of the radical scavenger When the weight % is exceeded, the content of the fluorine-based polymer in the radical scavenger is relatively reduced and the mobility of the particles is increased, so that the particles may be eluted during the fuel cell driving process, so it is appropriately adjusted within the above range.

다음으로, 상기 불소계 고분자가 외부 표면 또는 내부에 도입된 상기 입자에서, 상기 불소계 고분자가 분산되지 않도록 하기 위해, 열처리를 진행한다.Next, heat treatment is performed to prevent the fluorine-based polymer from being dispersed in the particle into which the fluorine-based polymer is introduced on the outer surface or inside.

일 구현예에서, 상기 열처리의 방식으로는 열풍을 이용하는 방식, 오븐을 이용하는 방식, IR 을 이용하는 방식 등을 사용할 수 있다.In one embodiment, as the heat treatment method, a method using hot air, a method using an oven, a method using IR, and the like may be used.

일 구현예에서, 상기 열처리는, 예를 들어 120 ℃ 내지 220 ℃에서 수행될 수 있으며, 사용되는 불소계 고분자의 용융 또는 변성 온도를 고려하여 상기 온도 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다. 예를 들어 상기 열처리 온도가 120 ℃ 미만인 경우 상기 입자의 외부 표면 또는 내부에 도입된 불소계 고분자가 효과적으로 도입되지 않거나, 도입된 이후 상기 입자로부터 다시 유실될 우려가 있으며, 상기 열처리 온도가 220 ℃를 초과하는 경우 상기 입자에 도입된 불소계 고분자가 용융되거나 변성될 우려가 있다.In one embodiment, the heat treatment may be performed at, for example, 120 °C to 220 °C, and may be appropriately adjusted within the above temperature range in consideration of the melting or denaturation temperature of the fluorine-based polymer used. For example, when the heat treatment temperature is less than 120 ° C., the fluorine-based polymer introduced into the outer surface or inside of the particle may not be effectively introduced, or may be lost from the particle after introduction, and the heat treatment temperature exceeds 220 ° C. In this case, there is a concern that the fluorine-based polymer introduced into the particles may be melted or denatured.

또한, 일 구현예에서, 상기 열처리 시간은 사용되는 불소계 고분자의 종류, 열처리 온도, 열처리 방식 등을 고려하여 통상의 기술자가 적절히 선택 및 조절할 수 있다. 예를 들어 상기 열처리는 1 분 내지 5 시간 동안 수행될 수 있다. In addition, in one embodiment, the heat treatment time can be appropriately selected and adjusted by a person skilled in the art in consideration of the type of fluorine-based polymer used, heat treatment temperature, heat treatment method, and the like. For example, the heat treatment may be performed for 1 minute to 5 hours.

구체적으로, Nafion의 경우 120℃ 에서 5시간 열처리 하거나 또는 220℃ 에서 1분 동안 열처리할 수 있으며, 3M 이오노머의 경우 160 내지 190℃ 에서 10분 내지 1 시간 동안 열처리할 수 있으며 Solvay의 Aquivion의 경우 180 내지 210℃ 에서 에서 5분 내지 1 시간 동안 열처리 할 수 있다. Specifically, in the case of Nafion, heat treatment may be performed at 120 ° C for 5 hours or at 220 ° C for 1 minute, in the case of 3M ionomer, heat treatment may be performed at 160 to 190 ° C for 10 minutes to 1 hour, and in the case of Solvay's Aquivion, 180 to 210° C. for 5 minutes to 1 hour.

필요에 따라, 상기 열처리 단계 이후 불소계 고분자가 도입된 입자를 산성 수용액에 침지하여, 불소계 고분자에 포함된 설포닐기의 말단을 산성 작용기로 치환할 수 있다.If necessary, after the heat treatment step, the particle into which the fluorine-based polymer is introduced may be immersed in an acidic aqueous solution to replace the terminal of the sulfonyl group included in the fluorine-based polymer with an acidic functional group.

상기 산성 수용액은 황산, 염산, 질산 등의 산성 용액의 수용액일 수 있으며, 바람직하게는 0.2 내지 0.5 M의 황산 수용액을 사용할 수 있다. 상기 과정은 약 60 ℃ 내지 100 ℃의 산성 수용액에 불소계 고분자를 약 5분 내지 30 분 가량 침지시킴으로써 진행할 수 있다.The acidic aqueous solution may be an aqueous solution of an acidic solution such as sulfuric acid, hydrochloric acid, or nitric acid, and preferably, a 0.2 to 0.5 M sulfuric acid aqueous solution may be used. The process may proceed by immersing the fluorine-based polymer in an acidic aqueous solution at about 60 °C to 100 °C for about 5 minutes to 30 minutes.

상기 라디칼 스캐빈저의 제조방법을 통하여, 상기 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자의 외부 표면 및 내부 중 적어도 일부에 불소계 고분자를 도입하여, 연료전지 내 이온 교환막, 촉매 전극 또는 상기 이온 교환막과 촉매 전극 사이의 계면 접착층에서 용출되지 않도록 형성될 수 있다.Through the method for preparing the radical scavenger, a fluorine-based polymer is introduced to at least a part of the outer surface and the inside of the peroxide or radical-capturing particles, thereby forming an ion exchange membrane in a fuel cell, a catalyst electrode, or the ion exchange membrane and a catalyst electrode. It may be formed so as not to be eluted from the interfacial adhesive layer between them.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리는 이온 교환막, 상기 이온 교환막의 양면에 각각 배치되는 촉매 전극, 그리고 상기 촉매 전극 내, 이온 교환막 내, 상기 이온 교환막과 촉매 전극 사이 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 위치에 상기 라디칼 스캐빈저를 포함한다.A membrane-electrode assembly according to another embodiment of the present invention includes an ion exchange membrane, a catalyst electrode disposed on both sides of the ion exchange membrane, and within the catalyst electrode, within the ion exchange membrane, between the ion exchange membrane and the catalyst electrode, and between the catalyst electrode and the catalyst electrode. It includes the radical scavenger at any one position selected from the group consisting of combinations.

도 3은 상기 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도이다.3 is a schematic cross-sectional view of the membrane-electrode assembly.

상기 도 3을 참조하여 설명하면, 상기 막-전극 어셈블리(100)는 상기 이온 교환막(50), 및 상기 이온 교환막(50)의 양면에 각각 배치되는 전극(20, 20')을 포함한다. 상기 전극(20, 20')은 전극 기재(40, 40')와 상기 전극 기재(40, 40') 표면에 형성된 촉매 전극(30, 30')을 포함하며, 상기 전극 기재(40, 40')와 상기 촉매 전극(30, 30') 사이에 상기 전극 기재(40, 40')에서의 물질 확산을 용이하게 하기 위해 탄소분말, 카본 블랙 등의 도전성 미세 입자를 포함하는 미세기공층(미도시)을 더 포함할 수도 있다.Referring to FIG. 3 , the membrane-electrode assembly 100 includes the ion exchange membrane 50 and electrodes 20 and 20' disposed on both sides of the ion exchange membrane 50, respectively. The electrodes 20 and 20' include electrode substrates 40 and 40' and catalyst electrodes 30 and 30' formed on surfaces of the electrode substrates 40 and 40', and the electrode substrates 40 and 40' ) And a microporous layer (not shown) containing conductive fine particles such as carbon powder and carbon black to facilitate material diffusion in the electrode substrates 40 and 40' between the catalytic electrodes 30 and 30'. ) may be further included.

상기 막-전극 어셈블리(100)에 있어서, 상기 이온 교환막(50)의 일면에 배치되어 상기 전극 기재(40)를 지나 상기 촉매 전극(30)으로 전달된 연료로부터 수소 이온과 전자를 생성시키는 산화 반응을 일으키는 전극(20)을 애노드 전극이라 하고, 상기 이온 교환막(50)의 다른 일면에 배치되어 상기 이온 교환막(50)을 통해 공급받은 수소 이온과 전극 기재(40')를 지나 상기 촉매 전극(30')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원 반응을 일으키는 전극(20')을 캐소드 전극이라 한다. In the membrane-electrode assembly 100, an oxidation reaction in which hydrogen ions and electrons are generated from fuel disposed on one surface of the ion exchange membrane 50 and transferred to the catalyst electrode 30 through the electrode substrate 40 The electrode 20 that causes the anode electrode is called an anode electrode, and is disposed on the other side of the ion exchange membrane 50 to pass through hydrogen ions supplied through the ion exchange membrane 50 and the electrode substrate 40' to the catalyst electrode 30 ') The electrode 20 'which causes a reduction reaction to generate water from the oxidizing agent transferred to the electrode 20' is called a cathode electrode.

한편, 상기 막-전극 어셈블리(100)는 상기 이온 교환막(50)과 상기 촉매 전극(30, 30') 사이에 위치하는 계면 접착층(10, 10')을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the membrane-electrode assembly 100 may further include interfacial bonding layers 10 and 10' positioned between the ion exchange membrane 50 and the catalyst electrodes 30 and 30'.

상기 계면 접착층(10, 10')은 상기 막-전극 어셈블리(100)가 수소 이온 전도도의 저하 없이 낮은 수소 투과도를 가질 수 있도록 하며, 상기 촉매 전극(30, 30')과 상기 이온 교환막(50) 사이의 계면 접합성을 향상시켜 상기 막-전극 어셈블리(100)의 내구성을 향상시킬 수 있고, 상기 막-전극 어셈블리(100)의 고온/저가습 조건에서의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.The interfacial adhesion layers 10 and 10' allow the membrane-electrode assembly 100 to have low hydrogen permeability without reducing the hydrogen ion conductivity, and the catalyst electrodes 30 and 30' and the ion exchange membrane 50 The durability of the membrane-electrode assembly 100 may be improved by improving interfacial bonding between the membrane electrodes, and the performance and durability of the membrane-electrode assembly 100 under high temperature/low humidity conditions may be improved.

상기 도 3에서는 상기 계면 접착층(10, 10')이 상기 이온 교환막(50)의 양면에 배치된 것으로 도시되었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 계면 접착층(10, 10')은 상기 이온 교환막(50)의 일면에만 위치할 수도 있다.In FIG. 3, the interfacial adhesion layers 10 and 10' are shown as disposed on both sides of the ion exchange membrane 50, but the present invention is not limited thereto, and the interfacial adhesion layers 10 and 10' are disposed on both sides of the ion exchange membrane 50. It may be located on only one surface of the exchange membrane 50.

상기 계면 접착층(10, 10')은 이오노머 및 상기 라디칼 스캐빈저를 포함한다.The interfacial adhesive layers 10 and 10' include an ionomer and the radical scavenger.

상기 계면 접착층(10, 10')이 포함하는 상기 이오노머는 상기 촉매 전극(30, 30')과 상기 이온 교환막(50) 사이의 계면 접합성을 향상시켜 상기 막-전극 어셈블리(100)의 내구성을 향상시킬 수 있다.The ionomer included in the interfacial adhesion layers 10 and 10' improves the interfacial bonding between the catalyst electrodes 30 and 30' and the ion exchange membrane 50, thereby improving durability of the membrane-electrode assembly 100. can make it

상기 계면 접착층(10, 10')이 포함하는 상기 이오노머는 당량(equivalent weight, EW)이 1100 g/eq 이하일 수 있고, 구체적으로 500 g/eq 내지 1100 g/eq일 수 있다. 상기 이오노머의 당량은 상기 이오노머가 포함하는 이온 교환 그룹 1개 당 상기 이오노머의 분자량(molecular mass)이다.The ionomer included in the interfacial adhesive layers 10 and 10' may have an equivalent weight (EW) of 1100 g/eq or less, specifically 500 g/eq to 1100 g/eq. The equivalent weight of the ionomer is the molecular mass of the ionomer per ion exchange group included in the ionomer.

상기 계면 접착층(10, 10')은 상기 이오노머의 당량 조절을 통해 저가습 조건에서 상기 막-전극 어셈블리(100)의 물 관리에 긍정적인 효과를 줄 수 있으며, 상기 당량을 가지는 이오노머를 사용하는 경우, 수소 이온의 전도성 저하 없이 상기 막-전극 어셈블리(100)의 성능을 개선할 수 있다. 한편, 상기 이오노머의 당량이 500 g/eq 미만인 경우 이오노머의 용출 현상 또는 수소 연료의 투과도가 증가할 수 있고, 1100 g/eq을 초과하는 경우 고온 저가습 조건에서 수소 이온 전도성이 저하될 수 있다.The interfacial adhesive layers 10 and 10' can have a positive effect on water management of the membrane-electrode assembly 100 under low humidity conditions by adjusting the equivalent weight of the ionomer, and when using the ionomer having the equivalent weight. , the performance of the membrane-electrode assembly 100 can be improved without deteriorating the conductivity of hydrogen ions. On the other hand, when the equivalent weight of the ionomer is less than 500 g / eq, the dissolution of the ionomer or the permeability of hydrogen fuel may increase, and when it exceeds 1100 g / eq, the hydrogen ion conductivity may be lowered under high temperature and low humidity conditions.

상기 계면 접착층(10, 10')이 포함하는 상기 이오노머는 불소계 이오노머, 탄화수소계 이오노머 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The ionomer included in the interfacial adhesive layers 10 and 10' may be any one selected from the group consisting of fluorine-based ionomers, hydrocarbon-based ionomers, and mixtures thereof.

상기 불소계 이오노머는 프로톤과 같은 양이온을 전달할 수 있는 양이온 교환 그룹, 또는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온을 전달할 수 있는 음이온 교환 그룹을 가지며, 주쇄에 불소를 포함하는 플루오르계 고분자; 또는 폴리스티렌-그라프트-에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체, 또는 폴리스티렌-그라프트-폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체 등의 부분 불소화된 고분자 등을 들 수 있고, 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤 또는 이들의 혼합물을 포함하는 플루오르계 고분자일 수 있다. 상기 양이온 교환 그룹은 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 일반적으로 술폰산기 또는 카르복실기일 수 있다. 또한, 상기 불소계 이오노머는 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수도 있다. The fluorine-based ionomer has a cation exchange group capable of transferring cations such as protons or anion exchange groups capable of transferring anions such as hydroxy ions, carbonates or bicarbonates, and includes fluorine-containing polymers in the main chain; or partially fluorinated polymers such as polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymers or polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene copolymers, and specific examples include poly(perfluorosulfonic acid), It may be poly(perfluorocarboxylic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene containing a sulfonic acid group and fluorovinyl ether, a fluorinated polymer including a defluorinated sulfurized polyether ketone, or a mixture thereof. The cation exchange group may be any one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxyl group, a boronic acid group, a phosphoric acid group, an imide group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, and combinations thereof, and may generally be a sulfonic acid group or a carboxyl group. there is. In addition, the above fluorine-based ionomers may be used alone or in combination of two or more.

또한, 상기 탄화수소계 이오노머는 프로톤과 같은 양이온을 전달할 수 있는 양이온 교환 그룹, 또는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온을 전달할 수 있는 음이온 교환 그룹을 가지며, 주쇄에 이미다졸, 벤즈이미다졸, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리아세탈, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴 수지, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르, 폴리에테르이미드, 폴리에스테르, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리아릴에테르술폰, 폴리포스파젠 또는 폴리페닐퀴녹살린 등의 탄화수소계 고분자를 포함하는 것일 수 있으며, 구체적인 예로는 술폰화된 폴리이미드(sulfonated polyimide, S-PI), 술폰화된 폴리아릴에테르술폰(sulfonated polyarylethersulfone, S-PAES), 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone, SPEEK), 술폰화된 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole, SPBI), 술폰화된 폴리술폰(sulfonated polysulfone, S-PSU), 술폰화된 폴리스티렌(sulfonated polystyrene, S-PS), 술폰화된 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene), 술폰화된 폴리퀴녹살린(sulfonated polyquinoxaline), 술폰화된 폴리케톤(sulfonated polyketone), 술폰화된 폴리페닐렌옥사이드(sulfonated polyphenylene oxide), 술폰화된 폴리에테르술폰(sulfonated polyether sulfone), 술폰화된 폴리에테르케톤(sulfonated polyether ketone), 술폰화된 폴리페닐렌술폰(sulfonated polyphenylene sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드(sulfonated polyphenylene sulfide), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰니트릴(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르(sulfonated polyarylene ether), 술폰화된 폴리아릴렌에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether ether nitrile), 폴리아릴렌에테르술폰케톤(sulfonated polyarylene ether sulfone ketone), 및 이들의 혼합물을 포함하는 탄화수소계 고분자를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 탄화수계 이오노머는 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. In addition, the hydrocarbon-based ionomer has a cation exchange group capable of transferring a cation such as a proton, or an anion exchange group capable of transferring an anion such as a hydroxy ion, carbonate or bicarbonate, and imidazole, benzimidazole, Polyamide, polyamideimide, polyimide, polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polyester, polysulfone, polyether, polyetherimide, polyester, polyethersulfone, polyetherimide, polycarbonate, polystyrene, It may include a hydrocarbon-based polymer such as polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyether ketone, polyaryl ether sulfone, polyphosphazene, or polyphenylquinoxaline, and specific examples include sulfonated polyimide. , S-PI), sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), sulfonated polyetheretherketone (SPEEK), sulfonated polybenzimidazole (SPBI), Sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS), sulfonated polyphosphazene, sulfonated polyquinoxaline, alcohol sulfonated polyketone, sulfonated polyphenylene oxide, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ketone, sulfonated poly phenylene sulfone (sulfonated polyphenylene sulfone), sulfonated polyphenylene sulfide (sulfonated polyphenylene sulfide), sulfonated polyphenylene sulfide sulfone, sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile, sulfonated polyarylene ether, sulfonated polyaryl Hydrocarbons including sulfonated polyarylene ether nitrile, sulfonated polyarylene ether ether nitrile, polyarylene ether sulfone ketone, and mixtures thereof Polymers may be used, but are not limited thereto. In addition, the hydrocarbon-based ionomers may be used alone or in combination of two or more.

한편, 상기 막-전극 어셈블리(100)는 상기 촉매 전극(30, 30') 내, 이온 교환막(50) 내, 상기 이온 교환막(50)과 촉매 전극(30, 30') 사이 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 위치에 상기 라디칼 스캐빈저를 포함한다. 구체적으로, 상기 이온 교환막(50)과 촉매 전극(30, 30') 사이는 상기 계면 접착층(10, 10') 내부에 상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 것을 의미할 수 있고, 또는 상기 이온 교환막(50)의 표면, 상기 촉매 전극(30, 30')의 표면 또는 상기 계면 접착층(10, 10')의 표면에 상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 것을 의미할 수 있다.Meanwhile, the membrane-electrode assembly 100 is formed within the catalytic electrodes 30 and 30', within the ion exchange membrane 50, between the ion exchange membrane 50 and the catalytic electrodes 30 and 30', and in combinations thereof. It includes the radical scavenger at any one position selected from the group consisting of Specifically, between the ion exchange membrane 50 and the catalyst electrodes 30 and 30 'may mean including the radical scavenger inside the interfacial adhesion layer 10 and 10', or the ion exchange membrane ( 50), the surface of the catalytic electrodes 30 and 30', or the surface of the interfacial adhesive layer 10 and 10'.

특히, 상기 계면 접착층(10, 10') 내부에 상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 경우 상기 라디칼 스캐빈저가 상기 이온 교환막(50) 내부에 분산된 형태로 존재하는 것이 아니라, 상기 이온 교환막(50)과 상기 촉매 전극(30, 30') 사이에 삽입되는 상기 계면 접착층(10, 10') 내에 농축되어 있으므로, 상기 이온 교환막(50) 자체의 이온 전도도 손실을 최소화하면서 상기 이온 교환막(50)의 화학적 내구성을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 촉매 전극(30, 30')에서 발생한 라디칼 등은 이온 교환막(50) 방향으로 확산되나, 상기 이온 교환막(50) 이전에 상기 계면 접착층(10, 10') 내에 농축된 상기 라디칼 스캐빈저에 의하여 상기 이온 교환막(50)의 열화를 사전에 방지할 수 있다.In particular, when the radical scavenger is included in the interfacial adhesive layers 10 and 10', the radical scavenger does not exist in a dispersed form inside the ion exchange membrane 50, but the ion exchange membrane 50 and the interfacial adhesion layers 10 and 10' inserted between the catalytic electrodes 30 and 30', thereby minimizing the ion conductivity loss of the ion exchange membrane 50 itself, thereby reducing the chemical properties of the ion exchange membrane 50. durability can be improved. That is, the radicals generated from the catalytic electrodes 30 and 30' diffuse toward the ion exchange membrane 50, but the radical scavengers concentrated in the interfacial adhesion layers 10 and 10' before the ion exchange membrane 50 As a result, deterioration of the ion exchange membrane 50 can be prevented in advance.

또한, 상기 이온 교환막(50)의 열화는 상기 이온 교환막(50)과 상기 촉매 전극(30, 30') 사이의 계면에서부터 진행되므로, 상기 계면 접착층(10, 10')에 상기 라디칼 스캐빈저를 농축시킴으로써, 상기 이온 교환막(50) 내에 상기 라디칼 스캐빈저를 분산시키는 것에 비하여 더욱 우수한 화학적 내구성을 얻을 수 있다.In addition, since the deterioration of the ion exchange membrane 50 proceeds from the interface between the ion exchange membrane 50 and the catalyst electrodes 30 and 30', the radical scavenger is applied to the interface adhesive layer 10 and 10'. By concentrating, more excellent chemical durability can be obtained compared to dispersing the radical scavenger in the ion exchange membrane 50 .

다만, 상기 계면 접착층(10, 10') 내부에 상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 경우 상기 연료전지의 운전 중에 상기 라디칼 스캐빈저의 용출이 더욱 문제가 될 수 있으나, 상기 라디칼 스캐빈저는 상기 과산화물 또는 라디칼을 분해할 수 있는 코어 입자 표면에 다공성 탄소 코팅층을 형성하여 상기 과산화물 또는 라디칼을 분해할 수 있는 코어 입자를 안정화시킴으로써, 상기 과산화물 또는 라디칼을 분해할 수 있는 코어 입자의 용출을 방지할 수 있다.However, when the interfacial adhesive layer (10, 10') includes the radical scavenger, elution of the radical scavenger during operation of the fuel cell may be more problematic, but the radical scavenger is the peroxide or By forming a porous carbon coating layer on the surface of core particles capable of decomposing radicals to stabilize the core particles capable of decomposing the peroxide or radicals, elution of the core particles capable of decomposing the peroxide or radicals can be prevented.

상기 계면 접착층(10, 10')은 상기 계면 접착층(10, 10') 전체 중량에 대하여 상기 라디칼 스캐빈저를 0.1 중량% 내지 70 중량%로 포함할 수 있고, 5 중량% 내지 15 중량%로 포함할 수 있다. 상기 라디칼 스캐빈저의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 화학적 내구성 향상 효과가 미미할 수 있고, 70 중량%를 초과하는 경우 상기 막-전극 어셈블리(100) 내의 이온 전달 저항을 크게 증가시킬 수 있다.The interfacial adhesive layer (10, 10') may include the radical scavenger in an amount of 0.1 wt% to 70 wt%, and in an amount of 5 wt% to 15 wt%, based on the total weight of the interfacial adhesive layer (10, 10'). can include When the content of the radical scavenger is less than 0.1% by weight, the effect of improving chemical durability may be insignificant, and when the content of the radical scavenger exceeds 70% by weight, ion transfer resistance within the membrane-electrode assembly 100 may be greatly increased.

또한, 상기 계면 접착층(10, 10')의 두께는 10 nm 내지 10 ㎛이고, 0.5 ㎛ 내지 2 ㎛일 수 있고, 상기 계면 접착층(10, 10')의 로딩량은 0.01 mg/cm2 내지 2.0 mg/cm2일 수 있다. 상기 계면 접착층(10, 10')의 두께가 10 nm 미만이거나 로딩량이 0.01 mg/cm2 미만인 경우 화학적 내구성 향상 효과가 미미할 수 있고, 상기 이온 교환막(50)과 상기 촉매 전극(30, 30') 사이의 계면 접합성을 향상시키지 못할 수 있고, 두께가 10 ㎛를 초과하거나 로딩량이 2.0 mg/cm2를 초과하는 경우 상기 막-전극 어셈블리(100) 내의 이온 전달 저항을 크게 증가시킬 수 있다.In addition, the interfacial adhesive layer (10, 10 ') may have a thickness of 10 nm to 10 µm and 0.5 µm to 2 µm, and a loading amount of the interfacial adhesive layer (10, 10') may be 0.01 mg/cm 2 to 2.0 mg/cm 2 . When the thickness of the interfacial adhesive layers 10 and 10' is less than 10 nm or the loading amount is less than 0.01 mg/cm 2 , the effect of improving chemical durability may be insignificant, and the ion exchange membrane 50 and the catalyst electrodes 30 and 30' Interfacial bonding between membrane electrodes may not be improved, and ion transfer resistance in the membrane-electrode assembly 100 may be greatly increased when the thickness exceeds 10 μm or the loading amount exceeds 2.0 mg/cm 2 .

한편, 상기 이온 교환막(50)은 이온 전도체를 포함한다. 상기 이온 전도체는 프로톤과 같은 양이온을 전달할 수 있는 양이온 교환 그룹을 가지는 양이온 전도체이거나, 또는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온을 전달할 수 있는 음이온 교환 그룹을 가지는 음이온 전도체일 수 있다. Meanwhile, the ion exchange membrane 50 includes an ion conductor. The ion conductor may be a cation conductor having a cation exchange group capable of transferring cations such as protons, or an anion conductor having an anion exchange group capable of transferring anions such as hydroxy ions, carbonates or bicarbonates.

상기 양이온 교환 그룹은 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 일반적으로 술폰산기 또는 카르복실기일 수 있다.The cation exchange group may be any one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxyl group, a boronic acid group, a phosphoric acid group, an imide group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, and combinations thereof, and may generally be a sulfonic acid group or a carboxyl group. there is.

상기 양이온 전도체는 상기 양이온 교환 그룹을 포함하며, 주쇄에 불소를 포함하는 플루오르계 고분자; 벤즈이미다졸, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리아세탈, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴 수지, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르, 폴리에테르이미드, 폴리에스테르, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리아릴에테르술폰, 폴리포스파젠 또는 폴리페닐퀴녹살린 등의 탄화수소계 고분자; 폴리스티렌-그라프트-에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체, 또는 폴리스티렌-그라프트-폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체 등의 부분 불소화된 고분자; 술폰 이미드 등을 들 수 있다.The cation conductor may include a fluorine-based polymer including the cation exchange group and including fluorine in a main chain; Benzimidazole, polyamide, polyamideimide, polyimide, polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polyester, polysulfone, polyether, polyetherimide, polyester, polyethersulfone, polyetherimide, poly hydrocarbon-based polymers such as carbonate, polystyrene, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyether ketone, polyaryl ether sulfone, polyphosphazene or polyphenylquinoxaline; partially fluorinated polymers such as polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymers or polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene copolymers; A sulfone imide etc. are mentioned.

보다 구체적으로, 상기 양이온 전도체가 수소 이온 양이온 전도체인 경우 상기 고분자들은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 포함할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤 또는 이들의 혼합물을 포함하는 플루오르계 고분자; 술폰화된 폴리이미드(sulfonated polyimide, S-PI), 술폰화된 폴리아릴에테르술폰(sulfonated polyarylethersulfone, S-PAES), 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone, SPEEK), 술폰화된 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole, SPBI), 술폰화된 폴리술폰(sulfonated polysulfone, S-PSU), 술폰화된 폴리스티렌(sulfonated polystyrene, S-PS), 술폰화된 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene), 술폰화된 폴리퀴녹살린(sulfonated polyquinoxaline), 술폰화된 폴리케톤(sulfonated polyketone), 술폰화된 폴리페닐렌옥사이드(sulfonated polyphenylene oxide), 술폰화된 폴리에테르술폰(sulfonated polyether sulfone), 술폰화된 폴리에테르케톤(sulfonated polyether ketone), 술폰화된 폴리페닐렌술폰(sulfonated polyphenylene sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드(sulfonated polyphenylene sulfide), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰니트릴(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르(sulfonated polyarylene ether), 술폰화된 폴리아릴렌에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether ether nitrile), 폴리아릴렌에테르술폰케톤(sulfonated polyarylene ether sulfone ketone), 및 이들의 혼합물을 포함하는 탄화수소계 고분자를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.More specifically, when the cation conductor is a hydrogen ion cation conductor, the polymers may include a cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, and derivatives thereof in their side chains. Specific examples include poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, defluorinated sulfurized polyether ketone, or mixtures thereof. Fluorine-based polymer containing; Sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), sulfonated polyetheretherketone (SPEEK), sulfonated polybenzimide sulfonated polybenzimidazole (SPBI), sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS), sulfonated polyphosphazene, sulfonated poly sulfonated polyquinoxaline, sulfonated polyketone, sulfonated polyphenylene oxide, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ketone polyether ketone), sulfonated polyphenylene sulfone, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene sulfide sulfone, sulfonated polyphenylene sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile, sulfonated polyarylene ether, sulfonated polyarylene ether nitrile, sulfonated polyarylene ether ether nitrile ( sulfonated polyarylene ether ether nitrile), polyarylene ether sulfone ketone (sulfonated polyarylene ether sulfone ketone), and their Hydrocarbon-based polymers including mixtures may be used, but are not limited thereto.

한편, 상기 양이온 전도체 중에서 이온 전도 기능이 우수하고 가격면에서도 유리한 탄화수소계 이온 전도체를 바람직하게 이용할 수 있다. On the other hand, among the cationic conductors, hydrocarbon-based ion conductors having excellent ion conduction function and being advantageous in price can be preferably used.

상기 음이온 전도체는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온을 이송시킬 수 있는 폴리머로서, 음이온 전도체는 하이드록사이드 또는 할라이드(일반적으로 클로라이드) 형태가 상업적으로 입수 가능하며, 상기 음이온 전도체는 산업적 정수(water purification), 금속 분리 또는 촉매 공정 등에 사용될 수 있다.The anion conductor is a polymer capable of transporting anions such as hydroxy ion, carbonate or bicarbonate, and the anion conductor is commercially available in the form of a hydroxide or halide (usually chloride), and the anion conductor is an industrial constant (water purification), metal separation or catalytic processes.

상기 음이온 전도체로는 일반적으로 금속 수산화물이 도핑된 폴리머를 사용할 수 있으며, 구체적으로 금속 수산화물이 도핑된 폴리(에테르술폰), 폴리스티렌, 비닐계 폴리머, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(테트라플루오로에틸렌), 폴리(벤즈이미다졸) 또는 폴리(에틸렌글리콜) 등을 사용할 수 있다.Generally, metal hydroxide-doped polymers may be used as the anion conductor, and specifically, metal hydroxide-doped poly(ethersulfone), polystyrene, vinyl-based polymers, poly(vinyl chloride), and poly(vinylidene fluoride) , poly(tetrafluoroethylene), poly(benzimidazole), or poly(ethylene glycol) may be used.

한편, 상기 이온 교환막(50)은 e-PTFE와 같은 불소계 다공성 지지체 또는 전기 방사 등에 의하여 제조된 다공성 나노웹 지지체 등의 공극을 상기 이온 전도체가 채우고 있는 강화막 형태일 수도 있다.On the other hand, the ion exchange membrane 50 may be in the form of a reinforced membrane in which the ion conductor fills the pores of a fluorine-based porous support such as e-PTFE or a porous nanoweb support prepared by electrospinning.

상기 이온 교환막(50)은 이온 교환 용량(ion exchange capacity, IEC)이 0.8 내지 4.0 meq/g일 수 있고, 1.0 내지 3.5 meq/g일 수 있다. 상기 이온 교환막(50)의 이온 교환 용량이 1.0 meq/g 미만인 경우 저가습 조건에서 수소 이온의 이동을 저하시킬 수 있고, 3.5 meq/g을 초과하는 경우 가습도가 증가함에 따라 계면에서 전달저항을 증가시킬 수 있다.The ion exchange membrane 50 may have an ion exchange capacity (IEC) of 0.8 to 4.0 meq/g or 1.0 to 3.5 meq/g. When the ion exchange capacity of the ion exchange membrane 50 is less than 1.0 meq/g, the movement of hydrogen ions can be reduced under low humidification conditions, and when it exceeds 3.5 meq/g, the transfer resistance at the interface increases as the humidification rate increases. can increase

또한, 상기 이온 교환막(50)은 두께는 3 내지 25 ㎛일 수 있고, 5 내지 20 ㎛일 수 있다. 상기 이온 교환막(50)의 두께가 3 ㎛ 미만인 경우 고온 저가습 조건에서 수소 연료의 투과도가 급격하게 증가되어 이온 교환막의 화학적 안정성이 저하될 수 있고, 25 ㎛를 초과하는 경우 저가습 조건에서 수소 이온의 이동이 저하되어 이온 교환막의 저항을 증가시켜 이온 전도도가 감소할 수 있다.In addition, the ion exchange membrane 50 may have a thickness of 3 to 25 μm or 5 to 20 μm. When the thickness of the ion exchange membrane 50 is less than 3 μm, the permeability of the hydrogen fuel is rapidly increased under high temperature and low humidity conditions, and thus the chemical stability of the ion exchange membrane may be deteriorated. When the thickness exceeds 25 μm, hydrogen ions under low humidity conditions The movement of is decreased, and the resistance of the ion exchange membrane is increased, so that the ion conductivity may be reduced.

상기 촉매 전극(30, 30')의 코어 입자는 수소 산화반응, 산소 환원반응에 촉매로 사용될 수 있는 것은 어느 것을 사용하여도 무방하며, 바람직하게는 백금계 금속을 사용할 수 있다.As the core particles of the catalytic electrodes 30 and 30', any material that can be used as a catalyst for hydrogen oxidation and oxygen reduction reactions may be used, and a platinum-based metal may be preferably used.

상기 백금계 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금-M 합금(상기 M은 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 란탄(La) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상), 비백금 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 백금계 촉매 금속 군에서 선택된 2종 이상의 금속을 조합한 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 기술 분야에서 사용 가능한 백금계 촉매 금속이라면 제한 없이 사용할 수 있다.The platinum-based metal is platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), a platinum-M alloy (wherein M is palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium ( Ir), Osmium (Os), Gallium (Ga), Titanium (Ti), Vanadium (V), Chromium (Cr), Manganese (Mn), Iron (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Copper ( Any one selected from the group consisting of Cu), silver (Ag), gold (Au), zinc (Zn), tin (Sn), molybdenum (Mo), tungsten (W), lanthanum (La) and rhodium (Rh) or above), may include one selected from the group consisting of non-platinum alloys and combinations thereof, and more preferably, a combination of two or more metals selected from the platinum-based catalyst metal group may be used, but limited thereto It is not, and any platinum-based catalytic metal usable in the art may be used without limitation.

구체적으로 상기 백금 합금은 Pt-Pd, Pt-Sn, Pt-Mo, Pt-Cr, Pt-W, Pt-Ru, Pt-Ru-W, Pt-Ru-Mo, Pt-Ru-Rh-Ni, Pt-Ru-Sn-W, Pt-Co, Pt-Co-Ni, Pt-Co-Fe, Pt-Co-Ir, Pt-Co-S, Pt-Co-P, Pt-Fe, Pt-Fe-Ir, Pt-Fe-S, Pt-Fe-P, Pt-Au-Co, Pt-Au-Fe, Pt-Au-Ni, Pt-Ni, Pt-Ni-Ir, Pt-Cr, Pt-Cr-Ir 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.Specifically, the platinum alloy is Pt-Pd, Pt-Sn, Pt-Mo, Pt-Cr, Pt-W, Pt-Ru, Pt-Ru-W, Pt-Ru-Mo, Pt-Ru-Rh-Ni, Pt-Ru-Sn-W, Pt-Co, Pt-Co-Ni, Pt-Co-Fe, Pt-Co-Ir, Pt-Co-S, Pt-Co-P, Pt-Fe, Pt-Fe- Ir, Pt-Fe-S, Pt-Fe-P, Pt-Au-Co, Pt-Au-Fe, Pt-Au-Ni, Pt-Ni, Pt-Ni-Ir, Pt-Cr, Pt-Cr- It may be used alone or in combination of two or more selected from the group consisting of Ir and combinations thereof.

또한, 상기 비백금 합금은 Ir-Fe, Ir-Ru, Ir-Os, Co-Fe, Co-Ru, Co-Os, Rh-Fe, Rh-Ru, Rh-Os, Ir-Ru-Fe, Ir-Ru-Os, Rh-Ru-Fe, Rh-Ru-Os 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.In addition, the non-platinum alloy is Ir-Fe, Ir-Ru, Ir-Os, Co-Fe, Co-Ru, Co-Os, Rh-Fe, Rh-Ru, Rh-Os, Ir-Ru-Fe, Ir - It may be used alone or in combination of two or more selected from the group consisting of Ru-Os, Rh-Ru-Fe, Rh-Ru-Os, and combinations thereof.

또한, 상기 코어 입자는 금속 자체(black)을 사용할 수도 있고, 촉매 금속을 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다.In addition, the core particle may be a metal itself (black), or may be used by supporting a catalyst metal on a carrier.

상기 담체는 탄소계 담체, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 실리카, 세리아 등의 다공성 무기산화물, 제올라이트 등에서 선택될 수 있다. 상기 탄소계 담체는 흑연, 수퍼피(super P), 탄소섬유(carbon fiber), 탄소시트(carbon sheet), 카본블랙(carbon black), 케첸 블랙(Ketjen Black), 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 카본나노튜브(carbon nano tube, CNT), 탄소구체(carbon sphere), 탄소리본(carbon ribbon), 풀러렌(fullerene), 활성탄소, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 카본 나노 혼, 카본 나노 케이지, 카본 나노 링, 규칙성 나노다공성탄소(ordered nano-/meso-porous carbon), 카본 에어로겔, 메소포러스카본(mesoporous carbon), 그래핀, 안정화 카본, 활성화 카본, 및 이들의 하나 이상의 조합에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 기술분야에서 사용가능한 담체는 제한 없이 사용할 수 있다.The carrier may be selected from carbon-based carriers, porous inorganic oxides such as zirconia, alumina, titania, silica, and ceria, and zeolites. The carbon-based carrier is graphite, super P, carbon fiber, carbon sheet, carbon black, Ketjen Black, Denka black, acetylene Acetylene black, carbon nano tube (CNT), carbon sphere, carbon ribbon, fullerene, activated carbon, carbon nano fiber, carbon nano wire, carbon nano ball , carbon nanohorn, carbon nanocage, carbon nanoring, ordered nano-/meso-porous carbon, carbon airgel, mesoporous carbon, graphene, stabilized carbon, activated carbon, and It may be selected from one or more combinations thereof, but is not limited thereto, and carriers usable in the art may be used without limitation.

상기 코어 입자는 담체의 표면 위에 위치할 수도 있고, 담체의 내부 기공(pore)을 채우면서 담체 내부로 침투할 수도 있다.The core particles may be located on the surface of the carrier, or may penetrate into the carrier while filling internal pores of the carrier.

상기 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판된 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 상기 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.In the case of using the noble metal supported on the carrier as a catalyst, a commercially available catalyst may be used, or it may be prepared and used by supporting a noble metal on the carrier. Since the process of supporting the noble metal on the support is widely known in the art, detailed descriptions thereof are omitted in this specification, but can be easily understood by those skilled in the art.

상기 코어 입자는 상기 촉매 전극(30, 30')의 전체 중량 대비 20 중량% 내지 80 중량%로 함유될 수 있으며, 20 중량% 미만으로 함유될 경우에는 활성 저하의 문제가 있을 수 있고, 80 중량%를 초과할 경우에는 상기 코어 입자의 응집으로 활성 면적이 줄어들어 촉매 활성이 반대로 저하될 수 있다.The core particles may be contained in an amount of 20% to 80% by weight based on the total weight of the catalytic electrodes 30 and 30'. %, the active area may be reduced due to the aggregation of the core particles, and thus the catalytic activity may be lowered.

또한, 상기 촉매 전극(30, 30')은 상기 촉매 전극(30, 30')의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더를 포함할 수 있다. 상기 바인더로는 이온 전도성을 갖는 이오노머를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 이오노머에 대한 설명은 상기 계면 접착층(10, 10')에서 설명한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.In addition, the catalytic electrodes 30 and 30' may include a binder to improve adhesion of the catalytic electrodes 30 and 30' and transfer hydrogen ions. It is preferable to use an ionomer having ion conductivity as the binder, and since the description of the ionomer is the same as that of the interfacial adhesive layers 10 and 10', a repetitive description will be omitted.

다만, 상기 이오노머는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 이온 교환막(50)과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.However, the ionomer may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be selectively used together with a non-conductive compound for the purpose of further improving adhesion to the ion exchange membrane 50. It is preferable to adjust the amount used to suit the purpose of use.

상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 사용될 수 있다.Examples of the non-conductive compound include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer (PFA), and ethylene/tetrafluoroethylene. Roethylene (ethylene/tetrafluoroethylene (ETFE)), ethylene chlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), dodecane At least one selected from the group consisting of sylbenzenesulfonic acid and sorbitol may be used.

상기 바인더는 상기 촉매 전극(30, 30') 전체 중량에 대하여 20 중량% 내지 80 중량%로 포함될 수 있다. 상기 바인더의 함량이 20 중량% 미만일 경우에는 생성된 이온이 잘 전달되지 못할 수 있고, 80 중량%를 초과하는 경우에는 기공이 부족하여 수소 또는 산소(공기)의 공급이 어려우며 반응할 수 있는 활성면적이 줄어들 수 있다.The binder may be included in an amount of 20% to 80% by weight based on the total weight of the catalyst electrodes 30 and 30'. If the content of the binder is less than 20% by weight, generated ions may not be well transmitted, and if it exceeds 80% by weight, it is difficult to supply hydrogen or oxygen (air) due to lack of pores and an active area that can react. this may decrease

또한, 상기 막-전극 어셈블리(100)는 상기 촉매 전극(30, 30') 바깥쪽에 전극 기재(40, 40')를 더 포함할 수 있다.In addition, the membrane-electrode assembly 100 may further include electrode substrates 40 and 40' outside the catalyst electrodes 30 and 30'.

상기 전극 기재(40, 40')로는 수소 또는 산소의 원활한 공급이 이루어질 수 있도록 다공성의 도전성 기재가 사용될 수 있다. 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 전극 기재(40, 40')는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.A porous conductive substrate may be used as the electrode substrate 40 or 40' so that hydrogen or oxygen can be smoothly supplied. Representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (a porous film composed of fibrous metal cloth or a metal film formed on the surface of a cloth formed of polymer fibers). refers to) can be used, but is not limited thereto. In addition, it is preferable to use a water-repellent material treated with a fluorine-based resin as the electrode substrates 40 and 40' because it can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered due to water generated during operation of the fuel cell. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkylvinyl ether, polyperfluorosulfonylfluoride alkoxyvinyl ether, fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene, or copolymers thereof may be used.

또한, 상기 전극 기재(40, 40')에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다.In addition, a microporous layer for enhancing the diffusion effect of the reactants in the electrode substrates 40 and 40' may be further included. This microporous layer is generally made of conductive powder having a small particle size, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, or carbon nanohorn. -horn) or a carbon nano ring.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재(40, 40')에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필 알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The microporous layer is prepared by coating the electrode substrates 40 and 40' with a composition including a conductive powder, a binder resin, and a solvent. Examples of the binder resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkylvinyl ether, polyperfluorosulfonylfluoride, alkoxyvinyl ether, polyvinyl alcohol, and cellulose acetate. or copolymers thereof and the like may be preferably used. Alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, and butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, and the like may be preferably used as the solvent. The coating process may be a screen printing method, a spray coating method, or a coating method using a doctor blade depending on the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 막-전극 어셈블리(100)는 상기 라디칼 스캐빈저가 포함되는 위치에 따라 상기 막-전극 어셈블리(100)의 각 구성의 제조시 상기 라디칼 스캐빈저를 첨가하여 제조할 수 있다.The membrane-electrode assembly 100 including the radical scavenger may be manufactured by adding the radical scavenger when manufacturing each component of the membrane-electrode assembly 100 according to the location where the radical scavenger is included. can

예를 들어, 상기 라디칼 스캐빈저가 상기 이온 교환막 내(50)에 포함되는 경우, 상기 이온 전도체를 포함하는 이온 교환막 형성용 조성물에 상기 라디칼 스캐빈저를 첨가한 후, 상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 상기 이온 교환막 형성용 조성물을 도포 및 건조하여 단일막을 제조하거나, 다공성 지지체에 상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 상기 이온 교환막 형성용 조성물을 함침시켜 강화막 형태의 이온 교환막(50)을 제조할 수도 있다.For example, when the radical scavenger is included in the ion exchange membrane 50, the radical scavenger is added to the composition for forming an ion exchange membrane including the ion conductor, and then the radical scavenger is included. A single membrane may be prepared by applying and drying the composition for forming an ion exchange membrane, or the ion exchange membrane 50 in the form of a reinforced membrane may be prepared by impregnating a porous support with the composition for forming an ion exchange membrane including the radical scavenger. there is.

마찬가지로, 상기 라디칼 스캐빈저가 상기 촉매 전극(30, 30') 내에 포함되는 경우, 상기 촉매 전극 형성용 조성물에 상기 라디칼 스캐빈저를 첨가한 후, 상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 상기 촉매 전극 형성용 조성물을 도포 및 건조하여 상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 상기 촉매 전극(30, 30')을 제조할 수 있다.Similarly, when the radical scavenger is included in the catalytic electrodes 30 and 30', the catalytic electrode including the radical scavenger is formed after adding the radical scavenger to the composition for forming the catalytic electrode. The catalytic electrodes 30 and 30' including the radical scavenger may be prepared by applying and drying the composition.

또한, 상기 라디칼 스캐빈저가 상기 이온 교환막(50)과 촉매 전극(30, 30') 사이에 포함되는 경우, 상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 용액을 상기 이온 교환막(50) 표면 또는 상기 촉매 전극(30, 30') 표면에 도포 및 건조하여 코팅층을 형성시킬 수 있다. In addition, when the radical scavenger is included between the ion exchange membrane 50 and the catalyst electrodes 30 and 30', a solution containing the radical scavenger is applied to the surface of the ion exchange membrane 50 or the catalyst electrode ( 30, 30 ') may be applied to the surface and dried to form a coating layer.

또한, 상기 라디칼 스캐빈저는 상기 계면 접착층(10, 10') 내에 포함될 수도 있는데, 이하에서는 상기 계면 접착층(10, 10')이 상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 경우를 예로 들어, 상기 막-전극 어셈블리(100)를 제조하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. In addition, the radical scavenger may be included in the interfacial bonding layer 10 or 10'. Hereinafter, a case in which the interfacial bonding layer 10 or 10' includes the radical scavenger is taken as an example, and the membrane-electrode A method of manufacturing the assembly 100 will be described in detail.

상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 계면 접착층(10, 10')은 상기 라디칼 스캐빈저와 상기 이오노머를 혼합하여 계면 접착층 형성용 조성물을 제조하는 단계, 및 상기 계면 접착층 형성용 조성물을 상기 이온 교환막(50) 또는 촉매 전극(30, 30') 표면에 도포한 후 건조하는 단계를 포함한다.The interfacial adhesion layer (10, 10') including the radical scavenger is prepared by mixing the radical scavenger and the ionomer to form a composition for forming an interfacial adhesion layer, and mixing the composition for forming an interfacial adhesion layer with the ion exchange membrane ( 50) or coating the surface of the catalytic electrodes 30 and 30' and then drying.

상기 계면 접착층 형성용 조성물은 상기 라디칼 스캐빈저와 상기 이오노머를 용매에 첨가한 후 혼합하여 제조할 수 있다.The composition for forming the interfacial adhesive layer may be prepared by adding the radical scavenger and the ionomer to a solvent and then mixing them.

상기 계면 접착층 형성용 조성물은 상기 이오노머를 0.1 % 내지 30 %의 농도로 포함할 수 있고, 1 % 내지 10 %의 농도로 포함할 수 있다. 본 발명의 명세서에서 농도는 퍼센트 농도를 의미하는 것으로서, 퍼센트 농도는 용액의 질량에 대한 용질의 질량의 백분율로 구할 수 있다. 상기 계면 접착층 형성용 조성물이 상기 이오노머를 상기 농도 범위로 포함하는 경우 상기 막-전극 어셈블리의 계면 저항 증가 없이 수소 이온 전도성과 계면 접합성을 개선할 수 있다. 상기 이오노머의 농도가 0.1 % 미만인 경우 수소 이온 전달 능력이 저하될 수 있고, 30 %를 초과하는 경우 이오노머 분포가 불균일하게 형성될 수 있다.The composition for forming the interfacial adhesive layer may include the ionomer at a concentration of 0.1% to 30%, and may include the ionomer at a concentration of 1% to 10%. In the context of the present invention, the concentration means a percent concentration, and the percent concentration can be obtained as a percentage of the mass of the solute relative to the mass of the solution. When the composition for forming the interfacial adhesive layer includes the ionomer in the above concentration range, hydrogen ion conductivity and interfacial junction properties may be improved without increasing the interfacial resistance of the membrane-electrode assembly. When the concentration of the ionomer is less than 0.1%, hydrogen ion transfer ability may be reduced, and when the concentration exceeds 30%, the ionomer distribution may be non-uniform.

상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올, 글리세롤 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, 디메틸포름아마이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.Examples of the solvent include alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, and glycerol, water, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, and the like. It may be any one selected from the group consisting of mixtures.

상기 계면 접착층(10, 10')은 상기 계면 접착층 형성용 조성물을 상기 이온 교환막(50) 또는 상기 촉매 전극(30, 30') 위에 도포한 후 건조하여 형성될 수 있다. 상기 계면 접착층 형성용 조성물을 상기 이온 교환막(50) 위에 도포하는 방법으로는, 슬롯다이 코팅, 바 코팅, 딥 코팅, 콤마 코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드 코팅, 실크 스크린 코팅, 그라비어 코팅, 페인팅법 등의 방법을 이용할 수 있다.The interfacial adhesion layers 10 and 10' may be formed by applying the composition for forming the interfacial adhesion layer onto the ion exchange membrane 50 or the catalyst electrodes 30 and 30' and then drying the composition. As a method of applying the composition for forming the interfacial adhesive layer on the ion exchange membrane 50, slot die coating, bar coating, dip coating, comma coating, screen printing, spray coating, doctor blade coating, silk screen coating, gravure coating, A painting method or the like can be used.

상기 건조 공정은 25 ℃ 내지 90 ℃에서 12 시간 이상 건조시키는 것일 수 있다. 상기 건조 온도가 25 ℃ 미만이고 건조 시간이 12 시간 미만인 경우에는 충분히 건조된 계면 접착층(10, 10')을 형성하지 못할 수 있고, 90 ℃를 초과하는 온도에서 건조시키면 계면 접착층(10, 10')에 균열이 발생할 수 있다. The drying process may be drying at 25 ℃ to 90 ℃ for 12 hours or more. If the drying temperature is less than 25 ° C. and the drying time is less than 12 hours, it may not be possible to form a sufficiently dried interfacial adhesive layer (10, 10 ′), and when dried at a temperature exceeding 90 ° C., the interfacial adhesive layer ( 10 , 10 ′) ) may crack.

마지막으로, 상기 계면 접착층(10, 10')을 포함하는 이온 교환막(50) 또는 촉매 전극(30, 30')을 이용하여 상기 막-전극 어셈블리(100)를 제조한다.Finally, the membrane-electrode assembly 100 is manufactured using the ion exchange membrane 50 including the interfacial adhesive layers 10 and 10' or the catalyst electrodes 30 and 30'.

상기 계면 접착층(10, 10')을 상기 촉매 전극(30, 30') 위에 형성한 경우, 상기 이온 교환막(50)과 상기 촉매 전극(30, 30')을 열압착하여 상기 막-전극 어셈블리(100)를 제조할 수 있고, 상기 계면 접착층(10, 10')을 상기 이온 교환막(50)에 형성한 경우, 상기 이온 교환막(50)과 상기 촉매 전극(30, 30')을 열압착하거나, 상기 이온 교환막(50)에 상기 촉매 전극(30, 30')을 코팅하여 상기 막-전극 어셈블리(100)를 제조할 수 있다.When the interfacial adhesion layers 10 and 10' are formed on the catalyst electrodes 30 and 30', the ion exchange membrane 50 and the catalyst electrodes 30 and 30' are thermally compressed to form the membrane-electrode assembly ( 100) can be manufactured, and when the interfacial adhesion layers 10 and 10' are formed on the ion exchange membrane 50, the ion exchange membrane 50 and the catalyst electrodes 30 and 30' are thermally compressed, The membrane-electrode assembly 100 may be manufactured by coating the ion exchange membrane 50 with the catalyst electrodes 30 and 30'.

상기 촉매 전극(30, 30')과 상기 이온 교환막(50)의 열압착은 80 ℃ 내지 2000 ℃ 및 5 kgf/cm2 내지 200 kgf/cm2의 조건에서 수행될 수 있다. 80 ℃, 50 kgf/cm2 미만의 조건에서 열압착을 진행할 경우, 이형 필름상의 상기 촉매 전극(30, 30')의 전사가 제대로 이루어지지 않을 수 있고, 200 ℃를 초과할 경우에는 상기 이온 교환막(50)의 고분자의 변성이 일어날 우려가 있으며, 200 kgf/cm2을 초과하는 조건에서는 촉매 전극(30, 30') 내 기공 구조의 붕괴로 성능 저하의 요인이 될 수 있다.Thermal compression of the catalytic electrodes 30 and 30' and the ion exchange membrane 50 may be performed under conditions of 80 °C to 2000 °C and 5 kgf/cm 2 to 200 kgf/cm 2 . When thermal compression is performed under conditions of 80 °C and less than 50 kgf/cm 2 , transfer of the catalytic electrodes 30 and 30' on the release film may not be performed properly, and when the temperature exceeds 200 °C, the ion exchange membrane There is a possibility that the polymer of (50) may be denatured, and under conditions exceeding 200 kgf/cm 2 , collapse of the pore structure in the catalyst electrodes 30 and 30' may cause performance degradation.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지는 상기 막-전극 어셈블리를 포함한다. A fuel cell according to another embodiment of the present invention includes the membrane-electrode assembly.

도 4는 상기 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 모식도이다.4 is a schematic diagram showing the overall configuration of the fuel cell.

상기 도 4를 참조하면, 상기 연료전지(200)는 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부(210), 상기 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시키는 개질부(220), 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스가 산화제와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(230), 및 산화제를 상기 개질부(220) 및 상기 스택(230)으로 공급하는 산화제 공급부(240)를 포함한다.Referring to FIG. 4 , the fuel cell 200 includes a fuel supply unit 210 that supplies mixed fuel in which fuel and water are mixed, and a reforming unit that reforms the mixed fuel to generate reformed gas containing hydrogen gas ( 220), a stack 230 in which a reformed gas containing hydrogen gas supplied from the reforming unit 220 reacts electrochemically with an oxidizing agent to generate electrical energy, and the oxidizing agent is transferred between the reforming unit 220 and the stack It includes an oxidizing agent supply unit 240 supplying to 230.

상기 스택(230)은 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 공급부(240)로부터 공급되는 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 구비한다.The stack 230 includes a plurality of unit cells generating electrical energy by inducing an oxidation/reduction reaction between a reformed gas including hydrogen supplied from the reforming unit 220 and an oxidizing agent supplied from the oxidizing agent supplying unit 240. provide

각각의 단위 셀은 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하는 것으로서, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 상기 막-전극 어셈블리와, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제를 막-전극 어셈블리로 공급하기 위한 분리판(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 하며, 이하 '분리판'이라 칭한다)을 포함한다. 상기 분리판은 상기 막-전극 어셈블리를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이 때, 상기 스택의 최외측에 각각 위치하는 분리판을 특별히 엔드 플레이트라 칭하기도 한다.Each unit cell means a unit cell that generates electricity, and includes the membrane-electrode assembly for oxidizing/reducing oxygen in the reformed gas containing hydrogen gas and the oxidizing agent, and the reforming gas containing hydrogen gas and the oxidizing agent. and a separator plate (also referred to as a bipolar plate, hereinafter referred to as a 'separator plate') for supplying to the membrane-electrode assembly. The separators are disposed on both sides of the membrane-electrode assembly with the membrane-electrode assembly at the center. At this time, the separators respectively located at the outermost side of the stack are also referred to as end plates.

상기 분리판 중 상기 엔드 플레이트에는 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(231)과, 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(232)이 구비되고, 다른 하나의 엔드 플레이트에는 복수의 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 외부로 배출시키기 위한 제1 배출관(233)과, 상기한 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 산화제를 외부로 배출시키기 위한 제2 배출관(234)이 구비된다.Among the separators, the end plate includes a pipe-shaped first supply pipe 231 for injecting reformed gas including hydrogen gas supplied from the reforming unit 220 and a pipe-shaped second pipe-shaped pipe for injecting oxygen gas. A supply pipe 232 is provided, and on the other end plate, a first discharge pipe 233 for discharging reformed gas containing hydrogen gas that is finally unreacted and remaining in a plurality of unit cells to the outside, and the unit cell described above. Finally, a second discharge pipe 234 is provided for discharging the unreacted and remaining oxidizing agent to the outside.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 당 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것으로 그 설명을 생략한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention are presented. However, the embodiments described below are only intended to specifically illustrate or explain the present invention, and the present invention is not limited thereto. In addition, the content not described herein can be sufficiently technically inferred by those skilled in the art, and the description thereof will be omitted.

제조예 1: 다공성 세륨 입자의 제조Preparation Example 1: Preparation of porous cerium particles

1.0 g의 Ce(NO3)3·6H2O를 1 mL의 이중 증류수(double distilled water, DD water)에 용해시킨 후, 아디프산 2.0 g과 30 mL의 에틸렌 글리콜을 상기 증류수에 투입하고, 초음파 처리하여 세륨 분산액을 형성하였다. 상기 세륨 분산액을 오토클레이브에 넣고 180 ℃에서 5시간 동안 가열하였다. 반응이 종료된 상기 세륨 분산액을 상온으로 공랭하여 원심 분리한 뒤, 이를 이중 증류수와 에탄올로 수 회 세척하고 40 ℃에서 진공 건조하여 다공성의 산화 세륨(CeO2) 입자를 제조하였다.After dissolving 1.0 g of Ce(NO 3 ) 3 6H 2 O in 1 mL of double distilled water (DD water), 2.0 g of adipic acid and 30 mL of ethylene glycol were added to the distilled water, Sonication was performed to form a cerium dispersion. The cerium dispersion was placed in an autoclave and heated at 180 °C for 5 hours. After the completion of the reaction, the cerium dispersion was air-cooled to room temperature, centrifuged, washed several times with double distilled water and ethanol, and vacuum dried at 40 °C to prepare porous cerium oxide (CeO 2 ) particles.

제조예 2: 라디칼 스캐빈저의 제조 (1)Preparation Example 2: Preparation of radical scavenger (1)

80 mL의 노말 프로필알코올(n-propanol)과 물의 혼합 용매에, 불소계 고분자로서 20 g의 나피온(NafionTM, 듀퐁社)를 투입하여 고분자 분산액을 제조하였다. 상기 고분자 분산액에 상기 제조예 1에서 제조한 다공성의 산화 세륨 입자 10 g을 투입하고 균일하게 혼합하였다. 공명혼합기는 5 내지 50%의 파워(Power) 및 3 사이클(10분 작동 후 5분 중단 -> 1 사이클) 조건에서 동작되었다. A polymer dispersion was prepared by adding 20 g of Nafion (Nafion , DuPont) as a fluorine-based polymer to 80 mL of a mixed solvent of normal propyl alcohol (n-propanol) and water. 10 g of porous cerium oxide particles prepared in Preparation Example 1 were added to the polymer dispersion and mixed uniformly. The resonance mixer was operated at 5 to 50% power and 3 cycles (10 minutes of operation followed by 5 minutes of interruption -> 1 cycle).

이후, 불소계 고분자와 산화 세륨 입자가 혼합된 분산액을 50 내지 80 ℃ 온도에서 스프레이 분사하여 파우더 형태의 라디칼 스캐빈저를 수득하였다. 다음으로, 상기 라디칼 스캐빈저를 200 내지 500 rpm에서 볼밀을 진행한 후, 질소 분위기의 오븐에 투입하고, 180 ℃ 온도에서 5 분 동안 열처리를 진행하였다.Thereafter, a powder-type radical scavenger was obtained by spraying a dispersion of a mixture of a fluorine-based polymer and cerium oxide particles at a temperature of 50 to 80 °C. Next, after ball milling the radical scavenger at 200 to 500 rpm, it was put into an oven under a nitrogen atmosphere, and heat treatment was performed at 180° C. for 5 minutes.

상기 열처리가 종료된 라디칼 스캐빈저를 0.3 M의 황산 수용액에 2 시간 동안 침지하고, 이후 80 ℃의 증류수에 2 시간 동안 침지한 뒤, 이를 다시 80 ℃ 온도에서 8 시간 동안 건조하여 불소계 고분자가 다공성 산화 세륨의 기공 사이에 함침된 라디칼 스캐빈저를 제조하였다.The radical scavenger after the heat treatment was immersed in 0.3 M sulfuric acid aqueous solution for 2 hours, then immersed in 80 ℃ distilled water for 2 hours, and then dried again at 80 ℃ temperature for 8 hours to make the fluorine-based polymer porous. A radical scavenger impregnated between pores of cerium oxide was prepared.

제조예 3: 라디칼 스캐빈저의 제조 (2)Preparation Example 3: Preparation of radical scavenger (2)

비다공성 산화 세륨 입자를 사용하고 열처리 조건을 변경한 것을 제외하고는 상기 제조예 2에서와 동일한 방식으로 라디칼 스캐빈저를 제조하였으며, 그 결과 불소계 고분자가 입자 외부의 코팅층으로 도입된 라디칼 스캐빈저가 제조되었다.A radical scavenger was prepared in the same manner as in Preparation Example 2 except that non-porous cerium oxide particles were used and the heat treatment conditions were changed. was manufactured

XRD를 이용하여 상기 제조된 라디칼 스캐빈저의 상대 결정화도를 측정하였으며, XRD 분석 패턴은 도 5에 나타내었다. 상대 결정화도가 10.0 내지 12.0%인 라디칼 스캐빈저 (도 5에서 검정색 그래프, 열처리 온도 160℃) 및 결정화도가 14.0 내지 16.0%인 라디칼 스캐빈저 (도 5에서 빨간색 그래프, 열처리 온도 220℃)가 제조되었음을 확인하였다. 여기서 상기 결정화도 범위는 제조시 오차 및 XRD 분석시 오차 범위를 포함하는 것이다.The relative crystallinity of the prepared radical scavenger was measured using XRD, and the XRD analysis pattern is shown in FIG. 5 . A radical scavenger having a relative crystallinity of 10.0 to 12.0% (black graph in FIG. 5, heat treatment temperature 160° C.) and a radical scavenger having a crystallinity of 14.0 to 16.0% (red graph in FIG. 5, heat treatment temperature 220° C.) were prepared. confirmed that it was. Here, the crystallinity range includes a range of errors during manufacturing and errors during XRD analysis.

실시예 1: 라디칼 스캐빈저를 포함하는 계면 접착층을 포함하는 막-전극 어셈블리 (1)Example 1: Membrane-electrode assembly including an interfacial adhesion layer containing a radical scavenger (1)

계면 접착층 형성용 조성물을 제조하기 위해, 상기 제조예 2에서 제조된 라디칼 스캐빈저와 나피온(NafionTM) 이오노머를 조성물 전체 함량 기준 산화 세륨의 함량이 4 중량%가 되도록 혼합하여 이소프로필알코올(IPA)에 분산시켰다. 이 때, 상기 용매 대비 고형분의 함량은 10 중량%로 조절하였다. In order to prepare a composition for forming an interfacial adhesive layer, the radical scavenger prepared in Preparation Example 2 and Nafion TM ionomer were mixed so that the content of cerium oxide was 4% by weight based on the total content of the composition, and isopropyl alcohol ( IPA) was dispersed. At this time, the content of solids compared to the solvent was adjusted to 10% by weight.

이온 교환막을 준비하기 위하여, 술폰화된 폴리아릴에테르술폰(sulfonated polyarylethersulfone, S-PAES)를 10 중량%로 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide, DMAC)에 용해시켰다. 준비된 이온 교환막 형성용 조성물을 블레이드 코팅법을 이용하여 유리판 위에 코팅한 후, 60 ℃ 오븐에서 24 시간 동안 건조시켜 이온 교환막을 제조하였다. To prepare the ion exchange membrane, 10% by weight of sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES) was dissolved in dimethylacetamide (DMAC). The prepared composition for forming an ion exchange membrane was coated on a glass plate using a blade coating method, and then dried in an oven at 60° C. for 24 hours to prepare an ion exchange membrane.

상기 제조된 이온 교환막을 상기 계면 접착증 형성용 조성물에 딥코팅하여 상기 이온 교환막 표면에 계면 접착증 형성용 조성물을 코팅하고, 60℃ 오븐에서 24 시간 건조시켰다. 이후, 120℃ 오븐에서 2 시간 동안 계면 접착층을 어닐링(Annealing)하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.The prepared ion exchange membrane was dip-coated with the composition for forming interfacial adhesion, and the composition for forming interfacial adhesion was coated on the surface of the ion exchange membrane, and dried in an oven at 60° C. for 24 hours. Thereafter, the interfacial adhesive layer was annealed in an oven at 120° C. for 2 hours to prepare a membrane-electrode assembly.

실시예 2: 라디칼 스캐빈저를 포함하는 계면 접착층을 포함하는 막-전극 어셈블리 (2)Example 2: Membrane-electrode assembly including an interfacial adhesion layer containing a radical scavenger (2)

불소계 고분자를 포함하는 코팅층의 결정화도 10.0 내지 12.0%인, 제조예 3에서 제조한 라디칼 스캐빈저를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1 에서와 동일한 방식으로 막-전극 어셈블리를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1, except that the radical scavenger prepared in Preparation Example 3, having a crystallinity of 10.0 to 12.0% of the coating layer containing the fluorine-based polymer, was used.

실시예 3: 라디칼 스캐빈저를 포함하는 계면 접착층을 포함하는 막-전극 어셈블리 (3)Example 3: Membrane-electrode assembly including an interfacial adhesion layer containing a radical scavenger (3)

불소계 고분자를 포함하는 코팅층의 결정화도 14.0 내지 16.0%인, 제조예 3에서 제조한 라디칼 스캐빈저를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1 에서와 동일한 방식으로 막-전극 어셈블리를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1, except that the radical scavenger prepared in Preparation Example 3, having a crystallinity of 14.0 to 16.0% of the coating layer containing the fluorine-based polymer, was used.

비교예 1: 라디칼 스캐빈저를 포함하는 계면 접착층을 포함하는 막-전극 어셈블리 (4)Comparative Example 1: Membrane-electrode assembly including an interfacial adhesive layer containing a radical scavenger (4)

상기 실시예 1에서 제조예 2에서 제조된 라디칼 스캐빈저 대신 상기 제조예 1에서 제조된 다공성 세륨 입자를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the porous cerium particles prepared in Preparation Example 1 were used instead of the radical scavenger prepared in Preparation Example 2 in Example 1.

[실험예 1] 내구성 평가[Experimental Example 1] Durability evaluation

앞서 비교예 및 실시예에서 제조한 막-전극 어셈블리에 대해 내구성 평가를 진행했다. 내구성 평가는 미국 에너지부 (Department of Energy, DOE)의 OCV(Open-circuit voltage, 개방회로전압) 내구 평가 프로토콜에 의거하여 진행하였다. DOE 기준에 따른 OCV 홀딩테스트 조건은 다음과 같다: 90℃, RH 30%, 50 kPa.Durability evaluation was conducted on the membrane-electrode assembly prepared in Comparative Examples and Examples. Durability evaluation was conducted in accordance with the OCV (Open-circuit voltage) durability evaluation protocol of the US Department of Energy (DOE). OCV holding test conditions according to DOE standards are as follows: 90 ° C, RH 30%, 50 kPa.

OCV 내구성 결과를 아래의 표 1에 나타내었다:The OCV durability results are shown in Table 1 below:

OCV 내구성
(시간)
OCV durability
(hour)
비교예comparative example 약 1000 내지 1400 시간about 1000 to 1400 hours 실시예 1Example 1 약 1700 내지 2300 시간About 1700 to 2300 hours 실시예 2Example 2 약 1900 내지 2500시간about 1900 to 2500 hours 실시예 3Example 3 약 2000 내지 2700시간about 2000 to 2700 hours

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 상기한 실시예는 본 발명의 특정한 일 예로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명의 권리범위는 후술할 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the above embodiment is presented as a specific example of the present invention, whereby the present invention is not limited, and the scope of the present invention is covered by the claims to be described later. Various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in , also belong to the scope of the present invention.

1: 과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자
2: 불소계 고분자를 포함하는 코팅층
5: 라디칼 스캐빈저
100: 막-전극 어셈블리
10, 10': 계면 접착층
20, 20': 전극
30, 30': 촉매 전극
40, 40': 전극 기재
50: 이온 교환막
200: 연료전지
210: 연료 공급부 220: 개질부
230: 스택 231: 제 1 공급관
232: 제 2 공급관 233: 제 1 배출관
234: 제 2 배출관 240: 산화제 공급부
1: Particles capable of trapping peroxides or radicals
2: coating layer containing fluorine-based polymer
5: radical scavenger
100: membrane-electrode assembly
10, 10': interfacial adhesive layer
20, 20': electrode
30, 30': catalyst electrode
40, 40': electrode substrate
50: ion exchange membrane
200: fuel cell
210: fuel supply unit 220: reforming unit
230: stack 231: first supply pipe
232: second supply pipe 233: first discharge pipe
234: second discharge pipe 240: oxidant supply unit

Claims (24)

과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자; 및
상기 입자의 외부 표면 및 내부 중 적어도 일부에 도입된 불소계 고분자를 포함하는
라디칼 스캐빈저.
particles capable of trapping peroxides or radicals; and
Containing a fluorine-based polymer introduced to at least a part of the outer surface and the inside of the particle
Radical scavenger.
제1항에서,
상기 입자는 전이 금속, 귀금속, 이들의 이온, 이들의 염, 이들의 산화물, 이들의 질화물, 및 이들의 착물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는,
라디칼 스캐빈저.
In paragraph 1,
The particles include at least one selected from the group consisting of transition metals, noble metals, ions thereof, salts thereof, oxides thereof, nitrides thereof, and complexes thereof,
Radical scavenger.
제1항에서,
상기 불소계 고분자는 폴리(퍼플루오로술폰산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 불소계 고분자인 것인,
라디칼 스캐빈저.
In paragraph 1,
The fluorine-based polymer is a poly(perfluorosulfonic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, or a fluorine-based polymer containing a mixture thereof,
Radical scavenger.
제1항에서,
상기 입자는 다수의 기공을 포함하는 다공성 입자이고,
상기 불소계 고분자가 상기 입자의 기공에 함침된 것인,
라디칼 스캐빈저.
In paragraph 1,
The particle is a porous particle containing a plurality of pores,
The fluorine-based polymer is impregnated into the pores of the particles,
Radical scavenger.
제1항에서,
상기 입자의 외부 표면에 코팅층을 포함하고,
상기 코팅층은 상기 불소계 고분자를 포함하는 것인,
라디칼 스캐빈저.
In paragraph 1,
Including a coating layer on the outer surface of the particle,
Wherein the coating layer includes the fluorine-based polymer,
Radical scavenger.
제5항에서,
상기 코팅층은 상기 입자의 전체 외부 표면적 대비 30% 내지 70%의 면적으로 형성된 것인,
라디칼 스캐빈저.
In paragraph 5,
The coating layer is formed in an area of 30% to 70% of the total external surface area of the particle,
Radical scavenger.
제1항에서,
상기 입자의 평균 입경은 50 nm 내지 1 ㎛인 것인,
라디칼 스캐빈저.
In paragraph 1,
The average particle diameter of the particles is 50 nm to 1 μm,
Radical scavenger.
제5항에서,
상기 코팅층의 두께는 상기 입자의 평균 입경 범위의 5% 내지 30% 인 것인,
라디칼 스캐빈저.
In paragraph 5,
The thickness of the coating layer is 5% to 30% of the average particle diameter range of the particles,
Radical scavenger.
제5항에서,
상기 코팅층의 상대 결정화도(Relative degree of crystallinity: RDOC)는 10.0 % 내지 16.0 %인 것인,
라디칼 스캐빈저.
In paragraph 5,
The relative degree of crystallinity (RDOC) of the coating layer is 10.0% to 16.0%,
Radical scavenger.
제1항에서,
상기 입자의 함량은 상기 라디칼 스캐빈저 총 중량에 대해 30 내지 80 중량%인 것인,
라디칼 스캐빈저.
In paragraph 1,
The content of the particles is 30 to 80% by weight relative to the total weight of the radical scavenger,
Radical scavenger.
과산화물 또는 라디칼을 포획할 수 있는 입자를 준비하는 단계;
상기 입자의 외부 표면 및 내부 중 적어도 일부에 불소계 고분자를 도입하는 단계; 및
상기 불소계 고분자가 도입된 입자를 열처리하는 단계를 포함하는,
라디칼 스캐빈저의 제조방법.
preparing particles capable of trapping peroxides or radicals;
introducing a fluorine-based polymer to at least a part of the outer surface and the inside of the particle; and
Including the step of heat-treating the particles into which the fluorine-based polymer is introduced,
Manufacturing method of radical scavenger.
제11항에서,
상기 입자는 원팟(one-pot) 수열합성법, 졸-겔(sol-gel)법 또는 산화환원에 의한 공동(cavity) 형성법에 의해 형성된 다공성 입자인 것인,
라디칼 스캐빈저의 제조방법.
In paragraph 11,
The particle is a porous particle formed by a one-pot hydrothermal synthesis method, a sol-gel method, or a cavity formation method by redox,
Manufacturing method of radical scavenger.
제11항에서,
상기 불소계 고분자는 폴리(퍼플루오로술폰산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 불소계 고분자인 것인,
라디칼 스캐빈저의 제조방법.
In paragraph 11,
The fluorine-based polymer is a poly(perfluorosulfonic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, or a fluorine-based polymer containing a mixture thereof,
Manufacturing method of radical scavenger.
제11항에서,
상기 불소계 고분자를 도입하는 단계에서, 상기 불소계 고분자의 분산액 또는 용융액을 상기 입자와 혼합한 뒤, 스프레이 분사하는 단계를 포함하고,
상기 혼합은 균질혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 초음파 혼합 및 공명 음향 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 이용하여 수행되는 것인,
라디칼 스캐빈저의 제조방법.
In paragraph 11,
In the step of introducing the fluorine-based polymer, mixing the dispersion or melt of the fluorine-based polymer with the particles, and then spraying,
The mixing is performed using at least one selected from the group consisting of a homogeneous mixer, a high-pressure disperser, a ball mill, a powder mixer, ultrasonic mixing, and resonant acoustic mixing,
Manufacturing method of radical scavenger.
제11항에서,
상기 열처리는 120 ℃ 내지 220 ℃에서 수행되는 것인,
라디칼 스캐빈저의 제조방법.
In paragraph 11,
The heat treatment is performed at 120 ° C to 220 ° C,
Manufacturing method of radical scavenger.
제11항에서,
상기 열처리 이후 불소계 고분자가 도입된 입자를 산성 수용액에 침지하는 단계를 더 포함하는 것인,
라디칼 스캐빈저의 제조방법.
In paragraph 11,
Further comprising the step of immersing the particles into which the fluorine-based polymer is introduced after the heat treatment in an acidic aqueous solution,
Manufacturing method of radical scavenger.
제11항에서,
상기 입자는 전이 금속, 귀금속, 이들의 이온, 이들의 염, 이들의 산화물, 이들의 질화물, 및 이들의 착물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는,
라디칼 스캐빈저의 제조방법.
In paragraph 11,
The particles include at least one selected from the group consisting of transition metals, noble metals, ions thereof, salts thereof, oxides thereof, nitrides thereof, and complexes thereof,
Manufacturing method of radical scavenger.
제11항에서,
상기 입자의 함량은 라디칼 스캐빈저 총 중량에 대해 30 내지 80 중량%인 것인,
라디칼 스캐빈저의 제조방법.
In paragraph 11,
The content of the particles is 30 to 80% by weight relative to the total weight of the radical scavenger,
Manufacturing method of radical scavenger.
이온 교환막,
상기 이온 교환막의 양면에 각각 배치되는 촉매 전극, 그리고
상기 촉매 전극 내, 이온 교환막 내, 상기 이온 교환막과 촉매 전극 사이 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 위치에 상기 제1항에 따른 라디칼 스캐빈저를 포함하는 막-전극 어셈블리.
ion exchange membrane,
Catalyst electrodes disposed on both sides of the ion exchange membrane, and
A membrane-electrode assembly comprising the radical scavenger according to claim 1 at any one position selected from the group consisting of within the catalyst electrode, within the ion exchange membrane, between the ion exchange membrane and the catalyst electrode, and combinations thereof.
제19항에서,
상기 막-전극 어셈블리는
상기 이온 교환막과 상기 촉매 전극 사이에 위치하는 계면 접착층을 더 포함하고,
상기 계면 접착층은 이오노머 및 상기 라디칼 스캐빈저를 포함하는 것인 막-전극 어셈블리.
In paragraph 19,
The membrane-electrode assembly
Further comprising an interfacial adhesion layer positioned between the ion exchange membrane and the catalyst electrode,
The membrane-electrode assembly, wherein the interfacial adhesion layer includes an ionomer and the radical scavenger.
제20항에서,
상기 계면 접착층은 상기 계면 접착층 전체 중량에 대하여 상기 라디칼 스캐빈저를 0.1 중량% 내지 70 중량%로 포함하는 것인 막-전극 어셈블리.
In paragraph 20,
The membrane-electrode assembly, wherein the interfacial adhesive layer comprises 0.1 wt% to 70 wt% of the radical scavenger based on the total weight of the interfacial adhesive layer.
제20항에서,
상기 계면 접착층의 두께는 5 nm 내지 5 ㎛인 것인 막-전극 어셈블리.
In paragraph 20,
The thickness of the interfacial adhesive layer is 5 nm to 5 μm, the membrane-electrode assembly.
제20항에서,
상기 계면 접착층의 로딩량은 0.01 mg/cm2 내지 2.0 mg/cm2인 것인 막-전극 어셈블리.
In paragraph 20,
A loading amount of the interfacial adhesive layer is 0.01 mg/cm 2 to 2.0 mg/cm 2 The membrane-electrode assembly.
제 19 항에 따른 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 19.
KR1020220097907A 2021-09-03 2022-08-05 Radical scavenger, method for manufacturing the same, and membrane-electrode assembly comprising the same KR20230034881A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20210117438 2021-09-03
KR1020210117438 2021-09-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230034881A true KR20230034881A (en) 2023-03-10

Family

ID=85511935

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220097907A KR20230034881A (en) 2021-09-03 2022-08-05 Radical scavenger, method for manufacturing the same, and membrane-electrode assembly comprising the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230034881A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6957744B2 (en) Radical scavenger, its manufacturing method, membrane-electrode assembly containing it, and fuel cell containing it
KR102258909B1 (en) Membrane-electrode assembly, method for manufacturing the same, and fuel cell comprising the same
KR102246525B1 (en) Membrane-electrode assembly, method for manufacturing the same, and fuel cell comprising the same
KR100823502B1 (en) Catalyst for fuel cell, method of preparing same membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
KR20180036107A (en) Support, electrode for fuel cell, and membrane-electrode assembly, and fuel cell comprising the same
KR20230034881A (en) Radical scavenger, method for manufacturing the same, and membrane-electrode assembly comprising the same
KR100778438B1 (en) Cathode catalyst for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same and fuel cell system comprising same
KR20080045459A (en) Catalyst for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell system comprising same
CN115039262B (en) Polymer electrolyte membrane and membrane-electrode assembly including the same
TWI792589B (en) Polymer electrolyte membrane, method of manufacturing the same, membrane-eletrode assembly and fuel battery
KR100823503B1 (en) Polymer membrane for fuel cell, method for preparing same, membrane electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
EP4235876A1 (en) Catalyst layer for fuel cell, manufacturing method therefor, and membrane-electrode assembly and fuel cell which comprise same
KR20240040450A (en) Reinforced composite membrane for fuel cell, manufacturing method thereof and membrane-electrode assembly for fuel cell comprising the same
KR20230001895A (en) Polymer electolyte membrane, and membrane-electrolyte assembly comprising the same
KR20230081660A (en) Reinforced composite membrane for fuel cell and membrane-electrode assembly for fuel cell comprising the same
JP2006252910A (en) Fuel cell
KR20070103569A (en) Membrane-electrode assembly for direct oxidation fuel cell and direct oxidation fuel cell system comprising same
KR20230084649A (en) Electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell comprising same
KR20220043886A (en) Polymer electolyte membrane, and membrane-electrolyte assembly comprising the same
KR20230080750A (en) Polymer electrolyte membrane composite comprising patterned metal thin film, and membrane-electrolyte assembly comprising the same
KR20230015842A (en) Polymer electrolyte membrane for fuel cell and manufacturing method thereof
KR20230078521A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell comprising plate-shhaped porous silica and fuel cell comprising same
KR20230082246A (en) Polymer electrolyte membrane, manufacturing method thereof and electrochemical device comprising the same
KR20230149144A (en) Reinforced composite membrane for fuel cell, manufacturing method thereof and membrane-electrode assembly for fuel cell comprising the same
KR20230015852A (en) Polymer electrolyte membrane manufacturing method and polymer electrolyte membrane for fuel cell manufactured using same