KR20230080961A - 강화복합막, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 - Google Patents

Abstract

이온전도도 및 습윤성이 개선된 강화복합막이 제공된다. 본 발명의 일 실시예는, 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 내부 기공을 채우는 이온전도체를 포함하는 이오노머층을 포함하는 강화복합막에 있어서, 상기 다공성 지지체는제1 면 및 상기 제1 면과 대향되는 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면은 제1 친수성 작용기를 함유하도록 개질된 것인, 강화복합막이다.

Description

강화복합막, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지{REINFORCED COMPOSITE MEMBRNAE AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY COMPRISING THE SAME AND FUEL CELL}

본 발명은 강화복합막, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 다공성 지지체의 일면을 친수성 작용기를 함유하도록 개질하여 이온전도도 및 수분 보유력이 개선된 강화복합막, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지에 관한 것이다.

연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로서 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인해 차세대 에너지원으로 각광받고 있다.

연료전지는 일반적으로 고분자 전해질 막을 사이에 두고 그 양쪽에 산화극(Anode)과 환원극(Cathode)이 각각 형성된 구조를 이루며, 이와 같은 구조를 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)라 칭한다.

연료전지는 전해질 막의 종류에 따라 알칼리 전해질 연료전지, 고분자 전해질 막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC) 등으로 구분될 수 있는데, 그 중에 고분자 전해질 막 연료전지는, 100℃ 미만의 낮은 작동온도, 빠른 시동과 응답 특성 및 우수한 내구성 등의 장점으로 인하여 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다.

이와 같은 고분자 전해질 막 연료전지의 대표적인 예로는, 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환 막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC) 등을 들 수 있다.

고분자 전해질 막 연료전지에서 일어나는 반응을 요약하면, 우선, 수소 가스와 같은 연료가 산화극(또는 애노드)에 공급되면, 산화극에서는 수소 가스의 산화반응에 의해 수소 이온과 전자가 생성된다. 생성된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 환원극으로 전달되고, 생성된 전자는 외부회로를 통해 환원극(또는 캐소드)에 전달된다. 환원극에서는 산소 가스가 공급되고, 상기 산소 가스가 수소 이온 및 전자와 결합하여 환원반응에 의해 물이 생성된다.

고분자 전해질 막은 산화극에서 생성된 수소 이온이 환원극으로 전달되는 통로이므로 기본적으로 수소 이온의 전도도가 우수해야 한다. 또한, 고분자 전해질 막은 산화극에 공급되는 수소가스와 환원극에 공급되는 산소를 분리하는 분리능이 우수해야 하고, 그 외에도 기계적 강도, 치수안정성, 내화학성 등이 우수해야 하며, 고 전류밀도에서 저항손실(Ohmic loss)이 작아야 하는 등의 특성이 요구된다.

한편, 종래의 강화복합막에 사용되는 다공성 지지체는 그 표면에 친수성 작용기가 도입되지 않아, 캐소드에서 생성된 생성수가 애노드 쪽으로 확산이 잘 되지 않아 강화복합막의 수분 보유력이 떨어지는 문제점이 있었다. 이로 인해, 물을 통해 이동해야 하는 수소이온의 전도도 성능이 떨어지는 추가적인 문제점이 있었다. 또한, 친수성의 이온전도체를 초소수성의 다공성 지지체의 내부까지 균일하게 함침시키는 것은 매우 어려우며, 설사 함침시키더라도 상기 이온전도체와 상기 다공성 지지체가 분리되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위해 치수안정성을 유지하면서 수분 보유력 및 이온전도도가 개선된 강화복합막을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 상기 문제점을 해결하기 위해, 캐소드에서 생성되는 물을 반응 또는 습윤화 목적을 위해 애노드로 유도하는 강화복합막을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 문제점을 해결하기 위해, 친수성의 이온전도체와 소수성의 다공성 지지체가 분리되지 않는 강화복합막을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 강화복합막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 내부 기공을 채우는 이온전도체를 포함하는 이오노머층을 포함하는 강화복합막에 있어서, 상기 다공성 지지체는, 제1 면 및 상기 제1 면과 대향되는 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면은 제1 친수성 작용기를 함유하도록 개질된 것인 강화복합막을 제공한다.

본 발명에 따르면, 캐소드에서 생성된 물을 반응 또는 습윤화 목적을 위해 애노드로 회수하여, 수분 보유력 및 이온전도도를 높일 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 친수성의 이온전도체와 초소수성의 다공성 지지체가 분리되는 문제를 해결할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강화복합막을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 강화복합막을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 설명하기 위한 모식도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.

본 발명에 따른 강화복합막은 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 내부 기공을 채우는 이온전도체를 포함하는 이오노머층을 포함한다. 상기 다공성 지지체는, 제1 면 및 상기 제1 면과 대향되는 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면은 제1 친수성 작용기를 함유하도록 개질된 것이다.

이하에서는, 도면을 참고하여 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다.

1. 강화복합막(50)

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강화복합막을 나타낸 단면도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 강화복합막(50)은 다공성 지지체(52) 및 이오노머층(55)을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 다공성 지지체(52)는 제1 면(52a) 및 상기 제1 면(52a)과 대향되는 제2 면(52b)을 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 다공성 지지체(52)의 제1 면(52a)은, 제1 친수성 작용기를 함유하도록 개질된 것일 수 있다. 구체적으로, 제1 면을 개질하는 방법으로 플라즈마, UV 또는 이온빔, 감마선, 전자선과 같은 방사선을 이용한 조사 방법 및 화학약품과 반응시키는 방법으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법을 이용할 수 있고, 바람직하게는 플라즈마 방법을 이용하는 것이 바람직하다.

상기 제1 친수성 작용기는, 히드록시기, 카르복실기, 황산기 및 인산기로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 다공성 지지체(52)의 제1 면(52a)이 친수성 작용기로 개질됨으로써, 강화복합막의 습윤성이 개선되어 수소이온의 이온전도도가 높아질 수 있다.

히드록시기를 상기 제1 면에 도입하기 위해서는 예를 들어, 건조공기(산소)/수분 공급의 방법이 이용될 수 있고, 카르복실기를 상기 제1 면에 도입하기 위해서는 예를 들어, 이산화탄소를 공급하는 방법이 이용될 수 있고, 황산기를 상기 제1 면에 도입하기 위해서는 예를 들어, 아황산가스(SO₂) 공급 방법이 이용될 수 있고, 인산기를 상기 제1 면에 도입하기 위해서는 예를 들어, 인산기를 함유하는 화합물을 포함하는 용액 분사 방법이 이용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 지지체(52)의 제2 면(52b)은 친수성 작용기를 함유하도록 개질되지 않은 것일 수 있다. 따라서, 제1 면(52a)에서만 선택적으로 친수성 작용기를 함유하도록 개질되어, 캐소드에서 발생한 생성수가 애노드로 이동하는 과정을 용이하게 할 수 있고, 이에 따라 강화복합막의 수분보유력 및 이온전도도가 개선될 수 있다. 또한, 친수성의 이온전도체와 다공성 지지체와의 결합력이 향상되어 이온전도체와 다공성 지지체가 분리되는 문제가 해결될 수 있다.

상기 제1 면(52a)에 대한 제1 용매의 접촉각(contact angle)은 상기 제2 면(52b)에 대한 제1 용매의 접촉각보다 작을 수 있다. 상기 제1 용매는, 물, 에틸렌글리콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 증류수일 수 있다.

상기 제1 면(52a)에 대한 제1 용매의 접촉각이 상기 제2 면(52b)에 대한 제1 용매의 접촉각보다 작아짐으로써, 강화복합막의 습윤성이 개선되어 수소이온의 이온전도도가 높아질 수 있을 뿐만 아니라 캐소드에서 발생한 생성수가 애노드로 쉽게 이동될 수 있다.

상기 제1 면(52a)에 대한 제1 용매의 접촉각(contact angle)은 75 내지 105°이고, 상기 제2 면(52b)에 대한 제1 용매의 접촉각은 110 내지 145°일 수 있다. 바람직하게는 상기 제1 면(52a)에 대한 제1 용매의 접촉각은 80 내지 100°이고, 상기 제2 면(52b)에 대한 제1 용매의 접촉각은 120 내지 140°일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 다공성 지지체(52)의 제2 면(52b)은 제2 친수성 작용기를 함유하도록 개질된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 친수성 작용기는 히드록시기, 카르복실기, 황산기 및 인산기로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 제1 친수성 작용기 및 상기 제2 친수성 작용기는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.

다만 상기 다공성 지지체(52)의 제2 면(52b)이 개질되는 정도는 상기 제1 면(52a)보다 작을 수 있고, 이를 구현하기 위한 방법으로 플라즈마를 이용하는 방법에서 전극의 출력을 조절하는 방법을 이용할 수 있다.

전술한 실시예와 마찬가지로, 상기 제1 면(52a)에 대한 제2 용매의 접촉각(contact angle)은 상기 제2 면(52b)에 대한 제2 용매의 접촉각보다 작을 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 면에 대한 제2 용매의 접촉각(contact angle)은 75 내지 105°이고, 상기 제2 면에 대한 제2 용매의 접촉각은 108 내지 120°일 수 있다. 바람직하게는 상기 제1 면(52a)에 대한 제2 용매의 접촉각은 80 내지 100°이고, 상기 제2 면(52b)에 대한 제2 용매의 접촉각은 108 내지 118°일 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 제1 면(52a)에 대한 제2 용매의 접촉각은 85 내지 95°이고, 상기 제2 면(52b)에 대한 제2 용매의 접촉각은 110 내지 115°일 수 있다.

상기 제2 용매는 상기 제1 용매와 동일하거나 상이할 수 있고, 바람직하게는 동일할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 지지체(52)는 열적 및 화학적 분해에 대한 저항성이 우수한 고도로 불소화된 중합체, 바람직하게는 과불소화된 중합체를 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 또는 테트라플루오로에틸렌과 CF₂=CFC_nF_2n+1(n은 1 내지 5의 실수) 또는 CF₂=CFO-(CF₂CF(CF₃)O)_mC_nF_2n+1(m은 0 내지 15의 실수, n은 1 내지 15의 실수)과의 공중합체일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 다공성 지지체(52)는 고분자 피브릴의 미세 구조, 또는 피브릴에 의해서 마디가 서로 연결된 미세 구조를 가지는 확장된 폴리테트라플루오로에틸렌(Expanded Polytetrafluoroethylene; e-PTFE)에 해당할 수 있다. 또한, 상기 다공성 지지체(52)로 상기 마디가 존재하지 않는 고분자 피브릴의 미세 구조를 가지는 필름도 이용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다공성 지지체(52)는 과불소화 중합체를 포함할 수 있다. 상기 다공성 지지체(52)는 분산 중합　PTFE를 윤활제의 존재 하에서 테이프에 압출 성형하고, 이에 의하여 얻어진 재료를 연신하여 보다 다공질이며, 보다 강한 다공성 지지체에 해당할 수 있다.

또한, 상기　PTFE의 융점(약 342℃)을 초과하는 온도에서 상기 e-PTFE를 열처리함으로써　PTFE의 비정질 함유율을 증가시킬 수도 있다. 상기 방법으로 제조된 e-PTFE 필름은 다양한 지름을 가지는 미세 기공 및 공극율을 가질 수 있다. 상기 방법으로 제조된 e-PTFE 필름은 적어도 35 %의 공극을 가질 수 있으며, 상기 미세 기공의 지름은 약 0.01 내지 1 ㎛(마이크로미터)일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 지지체(52)는 무작위로 배향된 복수개의 섬유로 이루어지는 부직 섬유질 웹(nonwoven fibrous web)일 수 있다. 상기 부직 섬유질 웹은 인터레이드(interlaid)되지만, 직포 천과 동일한 방식이 아닌, 개개의 섬유 또는 필라멘트의 구조를 갖는 시트를 의미한다. 상기 부직 섬유질 웹은 카딩(carding), 가네팅(garneting), 에어-레잉(air-laying), 웨트-레잉(wet-laying), 멜트 블로잉(melt blowing), 스펀본딩(spunbonding) 및 스티치 본딩(stitch bonding)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 방법에 의하여 제조될 수 있다.

상기 섬유는 하나 이상의 중합체 재료를 포함할 수 있고, 일반적으로 섬유 형성 중합체 재료로 사용되는 것이면 어느 것이나 사용 가능하고, 구체적으로 탄화수소계 섬유 형성 중합체 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 형성 중합체 재료는 폴리올레핀, 예컨대 폴리부틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드(나일론-6 및 나일론-6,6), 폴리우레탄 폴리부텐, 폴리락트산, 폴리비닐 알코올, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리설폰, 유체 결정질 중합체, 폴리에틸렌-코-비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 사이클릭 폴리올레핀, 폴리옥시메틸렌, 폴리올레핀계 열가소성 탄성중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다. 다만 본 발명의 기술적 사상이 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 지지체(52)는 나노 섬유들이 다수의 기공을 포함하는 부직포 형태로 집적된 나노웹을 포함할 수 있다.

상기 나노 섬유로 우수한 내화학성을 나타내고, 소수성을 가져 고습의 환경에서 수분에 의한 형태 변형 우려가 없는 탄화수소계 고분자를 바람직하게 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 탄화수소계 고분자로는 나일론, 폴리이미드, 폴리아라미드, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아닐린, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 스티렌 부타디엔 고무, 폴리스티렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 부틸렌, 폴리우레탄, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아미드이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 이 중에서도 내열성, 내화학성, 및 형태 안정성이 보다 우수한 폴리이미드를 바람직하게 사용할 수 있다.

상기 나노 웹은 전기 방사에 의해 제조된 나노 섬유가 랜덤하게 배열된 나노 섬유의 집합체이다. 이때 상기 나노 섬유는 상기 나노 웹의 다공도 및 두께를 고려하여, 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope, JSM6700F, JEOL)을 이용하여 50 개의 섬유 직경을 측정하여 그 평균으로부터 계산했을 때, 40 내지 5000nm(나노미터)의 평균 직경을 갖는 것이 바람직하다.

만일 상기 나노 섬유의 평균 직경이 상기 수치 범위 미만일 경우, 상기 다공성 지지체의 기계적 강도가 저하될 수 있고, 상기 나노 섬유의 평균 직경이 상기 수치 범위를 초과할 경우 다공도가 현저히 떨어지고 두께가 두꺼워질 수 있다.

상기 부직 섬유질 웹의 두께는 10 내지 50 ㎛(마이크로미터)일 수 있고, 구체적으로 15 내지 43 ㎛(마이크로미터)일 수 있다. 상기 부직 섬유질 웹의 두께가 상기 수치 범위 미만인 경우 기계적 강도가 떨어질 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 저항손실이 증가하고, 경량화 및 집적화가 떨어질 수 있다.

상기 부직 섬유질 웹은 평량(basic weight)이 5 내지 30 mg/cm²일 수 있다. 상기 부직 섬유질 웹의 평량이 상기 수치 범위 미만일 경우 눈에 보이는 기공이 형성되어 다공성 지지체로서 기능을 하기 어려울 수 있고, 상기 수치 범위를 초과하는 경우에는 포어가 거의 형성되지 않는 종이 또는 직물의 형태처럼 제조될 수 있다.

상기 다공도는 하기 수학식 1에 따라 상기 다공성 지지체의 전체 부피 대비 다공성 지지체 내 공기 부피의 비율에 의하여 계산할 수 있다. 이때, 상기 전체 부피는 직사각형 형태의 샘플을 제조하여 가로, 세로, 두께를 측정하여 계산하고, 공기부피는 샘플의 질량을 측정 후 밀도로부터 역산한 고분자 부피를 전체 부피에서 빼서 얻을 수 있다.

[수학식 1]

다공도(%)=(다공성 지지체 내 공기 부피/다공성 지지체의 전체 부피) X 100

본 발명에 따른 다공성 지지체(52)의 다공도는 30 내지 90 %에 해당할 수 있고, 바람직하게는 60 내지 85%에 해당함이 바람직하다. 상기 다공성 지지체(52)의 다공도가 상기 수치 범위 미만일 경우 이온전도체의 함침성 저하 문제가 생길 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 형태 안정성이 저하됨으로써 후공정이 원활하게 진행되지 않을 수 있다.

본 발명에 따른 이오노머층(55)은 상기 다공성 지지체(52)의 내부 기공을 채우는 이온전도체를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 이온전도체는 수소이온과 같은 양이온 교환 작용기를 가지는 양이온 전도체이거나, 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온 교환 작용기를 가지는 음이온 전도체일 수 있다. 상기 양이온 교환 작용기는 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기, 술폰산 플루오라이드기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 일반적으로 술폰산기 또는 카르복실기일 수 있다.

상기 양이온 전도체는 상기 양이온 교환 작용기를 포함하며, 주쇄에 불소를 포함하는 불소계 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 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 양이온 전도체가 수소이온 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 불소계 고분자, 술폰화된 폴리이미드(Sulfonated polyimide, S-PI), 술폰화된 폴리아릴에테르술폰(Sulfonated polyarylethersulfone, S-PAES), 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(Sulfonated polyetheretherketone, S-PEEK), 술폰화된 폴리벤즈이미다졸(Sulfonated polybenzimidazole, S-PBI), 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), 술폰화된 폴리아릴렌에테르술폰케톤(Sulfonated polyarylene ether sulfone ketone) 및 이들의 혼합물을 포함하는 탄화수소계 고분자를 들 수 있지만, 본 발명의 기술적 사상이 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 음이온 전도체는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온을 이송시킬 수 있는 고분자로서, 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.

상기 음이온 전도체로는 일반적으로 금속 수산화물이 도핑된 고분자를 사용할 수 있으며, 구체적으로 금속 수산화물이 도핑된 폴리(에테르술폰), 폴리스티렌, 비닐계 고분자, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(테트라플루오로에틸렌), 폴리(벤즈이미다졸) 또는 폴리(에틸렌글리콜) 등을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 이오노머층(55)은 제1 수지층(54) 및 상기 제1 수지층(54)과 대향되는 제2 수지층(56)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 수지층(54)은 상기 제1 면(52a) 상에 배치될 수 있고, 상기 제2 수지층(56)은 상기 제2 면(52b) 상에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 이오노머층(55)은 다공성 지지체(52)의 표면 상에 형성된 것일 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 강화복합막을 나타낸 단면도이다. 전술한 부분과 반복된 설명은 간략히 설명하거나 생략한다.

도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 다공성 지지체(52)는 적어도 2개 이상의 서브 다공성 지지체를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 다공성 지지체(52)는 제1 서브 다공성 지지체(52_1) 및 상기 제1 서브 다공성 지지체(52_1) 상에 배치된 제2 서브 다공성 지지체(52_2)를 포함할 수 있다.

상기 제1 서브 다공성 지지체(52_1) 및 상기 제2 서브 다공성 지지체(52_2)는 각각 독립적으로 전술한 다공성 지지체와 동일하거나 상이할 수 있다.

상기 제1 서브 다공성 지지체(52_1)의 두께는 예를 들어, 1 내지 50㎛(마이크로미터)일 수 있고, 상기 제2 서브 다공성 지지체(52_2)의 두께는 1 내지 50㎛(마이크로미터)일 수 있다.

각각의 상기 제1 서브 다공성 지지체(52_1) 및 상기 제2 서브 다공성 지지체(52_2)의 다공도는 전술한 다공성 지지체와 동일하거나 상이할 수 있고, 구성도 동일하거나 상이할 수 있다.

상기 제1 서브 다공성 지지체(52_1)는 상기 제1 면(52a)을 포함할 수 있고, 상기 제2 서브 다공성 지지체(52_2)는, 상기 제2 면(52b)을 포함할 수 있다.

전술한 실시예와 달리, 본 발명에 따른 이오노머층(55)은 제3 수지층(58)을 추가적으로 포함할 수 있다. 제3 수지층(58)은 상기 제1 서브 다공성 지지체(52_1) 및 상기 제2 서브 다공성 지지체(52_2) 사이에 배치될 수 있다.

각각의 상기 제1 내지 제3 수지층(54, 56, 58)을 이루는 이온전도체의 당량은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 수지층들을 이루는 이온전도체는 전술한 이온전도체와 마찬가지로, 불소계 이온전도체, 탄화수소계 이온전도체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.

2. 막-전극 어셈블리(100)

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 나타내 단면도이다. 전술한 부분과 반복된 설명은 간략히 설명하거나 생략한다.

도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리(100)는 상기 강화복합막(50) 및 상기 강화복합막(50)의 양 면에 각각 배치되는 상기 연료전지용 전극(20, 20')을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(100)는 전술한 강화복합막(50), 상기 제1 면(미도시) 상에 배치된 애노드(20), 상기 제2 면(미도시) 상에 배치된 캐소드(20')를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 이오노머층(미도시)은 제1 수지층 및 상기 제1 수지층과 대향되는 제2 수지층을 포함할 수 있다.

상기 전극(20, 20')은 전극 기재(40, 40')와 상기 전극 기재(40, 40') 표면에 형성된 촉매층(30, 30')을 포함하며, 상기 전극 기재(40, 40')와 상기 촉매층(30, 30') 사이에 상기 전극 기재(40, 40')에서의 물질 확산을 용이하게 하기 위해 탄소분말, 카본 블랙 등의 도전성 미세 입자를 포함하는 미세 기공층(미도시)을 더 포함할 수도 있다.

상기 막-전극 어셈블리(100)에 있어서, 상기 강화복합막(50)의 일 면에 배치되어 상기 전극 기재(40)를 지나 상기 촉매층(30)으로 전달된 연료로부터 수소 이온과 전자를 생성시키는 산화 반응을 일으키는 전극(20)을 애노드 전극이라 한다.

상기 강화복합막(50)의 다른 일면에 배치되어 상기 강화복합막(50)을 통해 공급받은 수소 이온과 전극 기재(40')를 지나 상기 촉매층(30')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원 반응을 일으키는 전극(20')을 캐소드 전극이라 한다.

상기 애노드 및 캐소드 전극(20, 20')의 촉매층(30, 30')은 촉매를 포함한다. 상기 촉매로는 전지의 반응에 참여하여, 통상 연료전지의 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 바람직하게는 백금계 금속을 사용할 수 있다.

상기 백금계 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금-M 합금, 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 아니고, 본 기술 분야에서 사용 가능한 백금계 촉매 금속이라면 제한 없이 사용할 수 있다.

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 이상에 해당할 수 있다. 구체적으로 상기 백금 합금으로 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 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

또한, 상기 비백금 합금으로 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 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 촉매로 촉매 자체(black)를 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다.

3. 연료전지(200)

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 설명하기 위한 모식도이다.

본 발명의 일 실시예는, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지에 해당한다.

도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 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 포함할 수 있다.

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 구비할 수 있다.

각각의 단위 셀은 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하는 것으로서, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 상기 막-전극 접합체와, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제를 막-전극 접합체로 공급하기 위한 분리판(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 하며, 이하 '분리판'이라 칭한다)을 포함할 수 있다. 상기 분리판은 상기 막-전극 접합체를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이 때, 상기 스택의 최외측에 각각 위치하는 분리판을 특별히 엔드 플레이트라 칭하기도 한다.

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 미 반응되고 남은 산화제를 외부로 배출시키기 위한 제2 배출관(234)이 구비될 수 있다.

상기 연료전지에 있어서, 상기 전기 발생부를 구성하는 세퍼레이터, 연료 공급부 및 산화제 공급부는 통상의 연료전지에서 사용되는 것이므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.

[제조준비예: 다공성 지지체의 제조]

하기 실시준비예, 비교준비예 및 참고준비예에 따른 다공성 지지체를 제조하였다.

<실시준비예 1: 제1 면만 개질된 경우>

산소 가스의 유량을 20sccm, 플라즈마의 파워는 2W, 플라즈마 처리 시간은 5초로 설정하여, RF(radio frequency) 플라즈마 방법으로 다공성 지지체(e-PTFE)의 제1 면이 히드록시기(-OH)를 갖도록 개질하였고, 상기 제1 면과 대향되는 제2 면은 개질하지 아니하였다. 실시준비예 1에 따른 다공성 지지체의 다공도는 70%, 두께는 10㎛, 기공의 크기는 0.2㎛이다.

<실시준비예 2: 제1 면보다 적게 개질된 제2 면>-

실시준비예 1과 동일한 방법으로 다공성 지지체를 제조하되, 산소 가스의 유량 20sccm, 플라즈마의 파워는 2W, 플라즈마 처리 시간은 2초로 설정하여 상기 제2 면을 추가적으로 개질하였다. 즉, 단위 면적 당 히드록시기의 농도가 상기 제1 면이 상기 제2 면보다 크도록 개질하였다.

<실시준비예 3: 2개의 서브 다공성 지지체를 포함하는 다공성 지지체>

실시준비예 1과 동일한 방법으로 다공성 지지체를 제조하되, 제1 서브 다공성 지지체(e-PTFE) 상에 제2 서브 다공성 지지체(e-PTFE)를 형성하여 최종적으로 다공성 지지체를 제조하였다. 상기 제1 서브 다공성 지지체의 다공도는 65%, 두께는 5㎛, 기공의 크기는 0.15㎛이고, 상기 제2 서브 다공성 지지체의 다공도는 75%, 두께는 5㎛, 기공의 크기는 0.2㎛이다. 제1 서브 다공성 지지체(e-PTFE)의 제1 면이 RF(radio frequency) 플라즈마 방법으로 히드록시기(-OH)를 갖도록 개질되었다. 구체적으로, 상기 제1 서브 다공성 지지체 상에 제2 서브 다공성 지지체를 형성하는 방법으로 상기 제1 서브 다공성 지지체의 표면에 알코올을 분사한 후, 롤프레스를 이용한 열압착 공정을 이용하였다.

<비교준비예 1: 개질되지 않은 다공성 지지체>

다공도는 70%, 두께는 10㎛, 기공의 크기는 0.2㎛인 다공성 지지체(e-PTFE)를 준비하였다.

<참고준비예 1: 제1 면과 제2 면이 모두 동일하게 개질된 다공성 지지체>

실시준비예 2와 동일한 방법으로 다공성 지지체를 제조하되, 제1 면 및 제2 면을 모두 동일하게 산소 가스의 유량 100sccm, 플라즈마의 파워는 3W, 플라즈마 처리 시간은 5초로 설정하여 개질하였다.

[실험예 1: 접촉각(contact angle) 측정]

상기 제조준비예에 따른 다공성 지지체를 제조하였고, 제1 면 및 제2 면 각각에 대하여 증류수의 접촉각(contact angle)을 측정하였다.

1) 접촉각 측정방법

25℃ 및 RH 40%를 유지한 상태에서 증류수를 주사기에 충전하여 다공성 지지체의 일면에 지름 3mm 크기의 물방울을 떨어뜨린 후 5분 동안 물방울이 퍼 지기를 기다려, 5분 이후 다공성 지지체의 일면과 물방울이 이루는 접촉각(contact angle)을 측정하였다. 접촉각이 작을수록, 다공성 지지체의 일면에 친수 개질이 더 많이 이루어진 것을 의미한다.

용매: 증류수	다공성 지지체	실시준비예 1	실시준비예 2	실시준비예 3	비교준비예 1	참고준비예 1
접촉각(°)	제1 면	95	92	95	140	98
	제2 면	140	120	140	140	98

[제조예: 강화복합막의 제조]

하기 실시예 및 비교예에 따른 강화복합막을 제조하였다.

<실시예 1>

상기 실시준비예 1에 따른 다공성 지지체를 상온에서 이소프로필알코올리 담긴 반응조에 넣고 5분간 전처리를 하였다. 전처리된 상기 다공성 지지체를 에멀젼 상태로 분산된 Nafion 10 wt.% 용액(제품명: Nafion D1021)에 5분 동안 침지한 후, 60℃에서 4시간 건조하여 강화복합막을 제조하였다.

<실시예 2>

실시예 1과 동일한 방법으로 강화복합막을 제조하되, 상기 실시준비예 1에 따른 다공성 지지체 대신, 상기 실시준비예 2에 따른 다공성 지지체를 사용하였다.

<실시예 3>

실시예 1과 동일한 방법으로 강화복합막을 제조하되, 상기 실시준비예 1에 따른 다공성 지지체 대신, 상기 실시준비예 3에 따른 다공성 지지체를 사용하였다.

<실시예 4>

실시예 1과 동일한 방법으로 강화복합막을 제조하되, 상기 실시준비예 1에 따른 Nafion 10wt% 용액 대신, 이온교환용량이 1.7meq/g인 술폰화된 폴리에테르설폰(sulfonated poly(ether sulfone)을 사용하였다.

<비교예 1>

실시예 1과 동일한 방법으로 강화복합막을 제조하되, 상기 실시준비예 1에 따른 다공성 지지체 대신, 상기 비교준비예 1에 따른 다공성 지지체를 사용하였다.

<참고예 1>

실시예 1과 동일한 방법으로 강화복합막을 제조하되, 상기 실시준비예 1에 따른 다공성 지지체 대신, 상기 참고준비예 1에 따른 다공성 지지체를 사용하였다.

<비교예 2>

실시예 4와 동일한 방법으로 강화복합막을 제조하되, 상기 실시준비예 1에 따른 다공성 지지체 대신, 상기 비교준비예 1에 따른 다공성 지지체를 사용하였다.

[실험예 2: 강화복합막의 물 흡수율 및 치수변화율 측정]

상기 제조예에 따른 강화복합막의 물 흡수율 및 치수 변화율을 측정하였다.

1) 물 흡수율

상기 제조예에 따른 강화복합막을 탈이온수로 여러 번 세척하고, 세척된 강화복합막을 120℃의 감압 건조기에서 24시간 동안 건조시킨 후 무게를 측정하였다(W_dry). 이어서 동일한 막을 탈이온수에 24시간 동안 침지시킨 후, 꺼내어 표면에 존재하는 물을 제거하고 다시 무게를 측정하였다(W_wet). 하기 수학식 2에 의해 물 흡수율을 산출하였다.

[수학식 2]

2) 치수 변화율

상기 제조예에 따른 강화복합막의 치수 변화율 측정방법은, 물 흡수율 측정방법과 동일하게 측정하되, 무게를 측정하는 대신 상기 강화복합막의 부피 변화를 측정한 후, 하기 수학식 3으로 산출하였다.

[수학식 3]

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	비교예 1	참고예 1	비교예 2
물 흡수율(%)	32.6	35.3	32.5	40.2	30.3	48.4	35.9
치수 변화율(%)	6	8	4	8	6	16	8

상기 표 2를 참고하면, 실시예는 참고예 대비, 물 흡수율이 낮으면서 치수 변화율이 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 다공성 지지체의 양쪽 면을 모두 동일하게 개질할 경우 치수안정성이 저하되는 문제를 확인할 수 있었고, 실시예처럼 다공성 지지체의 일면을 개질하거나, 양면을 개질하더라도 플라즈마 처리 시간을 조절하여 서로 다르게 개질하는 것이 치수안정성을 높이는 요인임을 확인할 수 있었다.

[실험예 3: 막-전극 어셈블리의 성능 평가]

상기 제조예에 따른 강화복합막의 양면에 전극 슬러리를 직접 코팅한 후 이를 건조하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 상기 제조예에 따른 강화복합막을 포함하는 막-전극 어셈블리의 이온전도도를 하기의 방법으로 측정하였다.

1) 이온전도도(실험조건: 80℃/50%RH)

상기 제조예에 따른 강화복합막을 포함하는 막-전극 어셈블리에 대하여, 측정 온도 80℃에서 측정 장비(솔라트론사의 Solatron-1280Impedance/Gain-Phase analyzer)를 이용하여 이온 전도도를 측정하였다. 구체적으로, 교류 사극자법(Four point probe AC impedance spectroscopic method)을 이용하여 옴저항 또는 벌크저항(ohmic resistance or bulk resistance)을 측정한 후 하기 수학식 4에 의하여 이온 전도도를 계산하였다.

[수학식 4]

상기 수학식 4에서, σ는 이온 전도도(S/cm), R은 전해질 막의 옴 저항(Ω), L은 전극 간의 거리(cm), S는 일정 전류가 흐르는 전해질 내 면적(cm²)에 해당한다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	비교예 1	참고예 1	비교예 2
이온전도도(S/cm)	0.041	0.045	0.042	0.028	0.038	0.064	0.023

상기 표 3을 참고하면, 실시예는 비교예 대비 이온전도도가 높음을 확인할 수 있다. 참고예 1은 이온전도도가 높았지만 상기 실험예 2에서 살펴본 바와 같이 치수안정성이 매우 저하되는 문제점이 있었다. 본 발명에 따르면, 적정 범위의 치수안정성을 만족하면서 이온전도도가 높은 막-전극 어셈블리를 제공할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

50: 강화복합막
52: 다공성 지지체
52_1: 제1 서브 다공성 지지체
52_2: 제2 서브 다공성 지지체
52a: 제1 면
52b: 제2 면
54: 제1 수지층
55: 이오노머층
56: 제2 수지층
58: 제3 수지층

Claims (16)

1. 다공성 지지체; 및
   상기 다공성 지지체의 내부 기공을 채우는 이온전도체를 포함하는 이오노머층; 을 포함하는 강화복합막에 있어서,
   상기 다공성 지지체는,
   제1 면 및
   상기 제1 면과 대향되는 제2 면을 포함하고,
   상기 제1 면은 제1 친수성 작용기를 함유하도록 개질된 것인
   강화복합막.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 친수성 작용기는,
   히드록시기, 카르복실기, 황산기 및 인산기로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 강화복합막.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2 면은,
   친수성 작용기를 함유하도록 개질되지 않은 것인
   강화복합막.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 면에 대한 제1 용매의 접촉각(contact angle)은 상기 제2 면에 대한 제1 용매의 접촉각보다 작은, 강화복합막.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 면에 대한 제1 용매의 접촉각(contact angle)은 75 내지 105°이고, 상기 제2 면에 대한 제1 용매의 접촉각은 110 내지 145°인, 강화복합막.
6. 제4항에 있어서,
   상기 제1 용매는 물, 에틸렌글리콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 강화복합막.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2 면은,
   제2 친수성 작용기를 함유하도록 개질된 것인
   강화복합막.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제2 친수성 작용기는,
   히드록시기, 카르복실기, 황산기 및 인산기로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 강화복합막.
9. 제7항에 있어서,
   상기 제1 면에 대한 제2 용매의 접촉각(contact angle)은 75 내지 105°이고, 상기 제2 면에 대한 제2 용매의 접촉각은 108 내지 120°인, 강화복합막.
10. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는,
    적어도 2개 이상의 서브 다공성 지지체를 포함하는 강화복합막.
11. 제10항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는,
    제1 서브 다공성 지지체; 및
    상기 제1 서브 다공성 지지체 상에 배치된 제2 서브 다공성 지지체; 를 포함하는 강화복합막.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 서브 다공성 지지체는
    상기 제1 면을 포함하고,
    상기 제2 서브 다공성 지지체는,
    상기 제2 면을 포함하는
    강화복합막.
13. 제1항에 있어서,
    상기 이온전도체는,
    불소계 이온전도체, 탄화수소계 이온전도체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 강화복합막.
14. 제1항에 따른 강화복합막;
    상기 제1 면 상에 배치된 애노드(anode); 및
    상기 제2 면 상에 배치된 캐소드(cathode); 를 포함하는
    막-전극 어셈블리.
15. 제14항에 있어서,
    상기 이오노머층은,
    제1 수지층; 및
    상기 제1 수지층과 대향되는 제2 수지층; 을 포함하는
    막-전극 어셈블리.
16. 제14항 또는 제15항에 따른 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지.
    

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